Bez pierwiastków ziem rzadkich i bez silnika? Słuchanie krajowych dostawców interpretujących tajniki redukcji pierwiastków ziem rzadkich w silnikach
Wiadomości samochodowe z Chin
Niedawno Colin Campbell, wiceprezes ds. układów napędowych Tesli, powiedział, że silniki nowej generacji firmy nie będą w ogóle wykorzystywać materiałów ziem rzadkich. Ta wiadomość była jak kamień wrzucony do spokojnego jeziora, wywołując zamieszanie w branży. Poinformowano, że w latach 2017–2022 Tesli udało się zredukować wykorzystanie pierwiastków ziem rzadkich w module napędowym Modelu 3 o 25 procent dzięki poprawie wydajności układu przesyłowego. W 2020 roku Tesla ujawniła, że opracowuje nowy typ silnika niemagnetycznego – silnik z reluktancją powierzchniową z magnesami trwałymi (SPSRM), który łączy w sobie zalety silników z magnesami trwałymi i silników reluktancyjnych z przełączaniem (SRM). , unikając wad obu, można osiągnąć wysoką wydajność, dużą gęstość mocy i wysoką gęstość momentu obrotowego bez użycia materiałów ziem rzadkich.
Tesla jest znana jako wiatrowskaz nowej ery pojazdów energetycznych. Jaki jest zalecany przez nią silnik niezawierający pierwiastków ziem rzadkich? Ile „plusku” może zrobić w branży?
Brak pierwiastków ziem rzadkich nie oznacza braku magnetyzmu
W kontekście praktykowania zielonej i niskoemisyjnej ścieżki oraz wszechstronnego promowania rozwoju elektryfikacji akumulatory, silniki i elektroniczne elementy sterujące stały się „trzema nowymi głównymi częściami”, które są niezbędne w pojazdach nowych na energię, a silniki realizują wszystkie funkcje związane z prowadzeniem pojazdu. .
Obecnie w pojazdach nowej energii stosowane są trzy główne typy silników: silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, silniki synchroniczne o wzbudzeniu elektrycznym i silniki asynchroniczne prądu przemiennego. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są głównym wyborem w branży, ale ze względu na wysokie koszty materiałów ziem rzadkich i ograniczone rezerwy. W ostatnich latach głos o ich wymianie staje się coraz głośniejszy.
Przyjmuje się, że prawie 20 procent kosztów silników z magnesami trwałymi stanowią materiały ziem rzadkich. Jako klasa elementów metalowych o specjalnych właściwościach fizycznych i chemicznych, znalazła szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach zaawansowanych technologii. Na rynku istnieje żywa metafora. Jeśli ropa jest krwią przemysłu, to pierwiastki ziem rzadkich są witaminami przemysłu, szczególnie dla przemysłu samochodowego. W silnikach z magnesami trwałymi neodymowo-żelazowo-borowy (NdFeB) jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów z magnesami trwałymi, charakteryzującym się wysoką remanencją i produktem energetycznym. Oraz trzy rodzaje pierwiastków ziem rzadkich: neodym (Nd), prazeodym (Pr) i dysproz (Dy), które są bardzo pomocne w poprawie magnetyzmu dynamicznego, odporności na ciepło, przedłużeniu żywotności i zmniejszeniu hałasu silnika. Dlatego też, pomimo wysokich kosztów, silniki z magnesami trwałymi zawsze były głównym nurtem konfiguracji nowych pojazdów energetycznych.
Wydaje się, że twierdzenie Tesli, że następna generacja silników w ogóle nie będzie wykorzystywać materiałów ziem rzadkich, zachwiało statusem silników z magnesami trwałymi i materiałów ziem rzadkich. Jak z punktu widzenia technologii i rynku interpretować trend branżowy?
Tak naprawdę Tesla nie jest jedyną firmą, która proponuje, aby silniki nie wykorzystywały pierwiastków ziem rzadkich. W 2021 roku Mahle, niemiecki producent części samochodowych, opracował nowy silnik, który nie wymaga materiałów ziem rzadkich; następnie w 2022 r. BMW wprowadziło na rynek także silnik piątej generacji niezawierający pierwiastków ziem rzadkich. Znawcy branży uważają, że Tesla i inne firmy chętnie opracowują silniki niezawierające pierwiastków ziem rzadkich, nie tyle ze względu na rozwój technologiczny, ile raczej ze względów geopolitycznych.
Według statystyk około 97 procent światowych surowców ziem rzadkich dostarczają Chiny. Według danych pierwiastki ziem rzadkich są ważnym zasobem strategicznym o unikalnych właściwościach i niezbędnym kluczowym elementem transformacji tradycyjnych gałęzi przemysłu, rozwoju gałęzi przemysłu wschodzących i przemysłu technologii obronnych kraju. Wcześniej ceny eksportowe metali ziem rzadkich z Chin były niskie. Wraz ze stałym wzrostem kosztów wydobycia i rafinacji surowców ziem rzadkich, kontrola eksportu materiałów ziem rzadkich stała się bardziej rygorystyczna, a zagraniczne firmy samochodowe zaczęły szukać innego wyjścia.
Jednak eksperci branżowi uważają, że nazywanie silnika „wolnym od magnesów” tylko dlatego, że nie wykorzystuje pierwiastków ziem rzadkich, jest błędne.Niu Mingkui, dyrektor generalnyzałożyciela Zhejiang Motor Co., Ltd.(zwany dalej „Founder Motor”), powiedział reporterowi „China Automobile News”, że magnesy trwałe ziem rzadkich to tylko jeden ze sposobów ustalenia głównego pola magnetycznego silników synchronicznych, a przedsiębiorstwa mogą również stosować inne metody, ale w każdym przypadku W takim przypadku konieczne jest wytworzenie pola magnetycznego, aby silnik mógł działać, więc zaproponowanie silnika niemagnetycznego jest oczywiście „chwytem marketingowym”. Jego zdaniem plan Tesli jest dobrze zrozumiany. W przypadku silników, które nie wykorzystują metali ziem rzadkich, można zastosować następujące metody: użycie ferrytu zamiast metali ziem rzadkich jako magnesów trwałych lub zastosowanie silników synchronicznych wzbudzonych elektrycznie, a następnie silników indukcyjnych prądu przemiennego.
3 przypuszczenia na temat Tesli
Jako lider pojazdów elektrycznych ruchy Tesli przyciągnęły uwagę całej branży motoryzacyjnej. Jeśli chodzi o silnik Tesli nowej generacji, który nie wykorzystuje metali ziem rzadkich,Kierownik ds. inżynierii BorgWarner Huo Congchongma trzy przypuszczenia.
Po pierwsze, „brak pierwiastków ziem rzadkich” może odnosić się do braku ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, a nie do wszystkich pierwiastków ziem rzadkich. Huo Congchong powiedział reporterom: „Ogólnie rzecz biorąc, określenia pierwiastki ziem rzadkich stosowane w silnikach odnoszą się do ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, takich jak terb (Tb), dysproz (Dy), holm (Ho), neodym (Nd), prazeodym (Pr) i inne pierwiastki . Różne silniki wykorzystują różne ciężkie pierwiastki ziem rzadkich ze względu na ich małe zapasy i wysokie koszty. Obecnie firmy zwracają się w stronę stosowania większej liczby lekkich pierwiastków ziem rzadkich i ograniczania stosowania ciężkich pierwiastków ziem rzadkich.
Po drugie, możliwa jest również wymiana silnika synchronicznego z magnesami trwałymi na silnik synchroniczny o wzbudzeniu elektrycznym. Rdzeniem elektrycznego silnika wzbudzenia jest zastąpienie magnesu trwałego cewką wzbudzenia elektrycznego i zmiana siły magnetycznej poprzez regulację prądu cewki, tak aby osiągnąć różne wymagania dotyczące wydajności mocy przy różnych prędkościach pojazdu. Jednocześnie cewka wzbudzenia elektrycznego może wyeliminować wady rozmagnesowania i przeciągnięcia magnesu trwałego w wysokiej temperaturze, a osłabienie pola można zrealizować poprzez zmniejszenie prądu wzbudzenia przy dużej prędkości, a zmianę prędkości można zrealizować poprzez sterowanie intensywność wzbudzenia, a bezpieczeństwo jest również lepsze. To właśnie robi bezmagnesowy silnik piątej generacji BMW.
Największą różnicą między silnikiem elektrycznym a silnikiem z magnesami trwałymi jest wirnik. Zasada pierwszego polega na dodaniu cewek do wirnika i zastosowaniu szczotki węglowej do wprowadzenia prądu wzbudzenia. Przyniosło to jednak nowy problem, niezawodność i trwałość szczotki węglowej będzie miała ogromny wpływ na wydajność pracy silnika.
Po trzecie, w zasadzie można również zrealizować sposób wzbudzenia mieszanego. Zakładając utrzymanie wysokiej wydajności, ten nowy typ silnika zmienia strukturę topologii, a główne pole magnetyczne jest generowane przez dwa źródła wzbudzenia w celu realizacji regulacji i sterowania oraz poprawy regulacji prędkości, wydajności napędu lub charakterystyki regulacji napięcia silnika . Oznacza to, że magnes trwały nie wykorzystuje materiałów ziem rzadkich, ale wykorzystuje ferryt, a następnie dodaje pewne wzbudzenie elektryczne itp., Ale to rozwiązanie ma słabe właściwości magnetyczne i ograniczoną wydajność pracy. większy i cięższy.
„Oczywiście nadal nie możemy wykluczyć możliwości, że Tesla dokonała istotnego przełomu w dziedzinie nowych materiałów, ale jeśli tak się nie stanie, myślę, że najbardziej prawdopodobne jest pierwsze z tych trzech rozwiązań”. Istnieją amerykańskie firmy, które mogą opracować rozwiązanie polegające na zastosowaniu „zerowych” ciężkich pierwiastków ziem rzadkich w silnikach. Wierzę, że nie jest to trudne wyzwanie dla Tesli.
Stan silnika z magnesami trwałymi nie jest jeszcze wstrząśnięty
W dobie elektryfikacji motoryzacji postawiono nowe wymagania dotyczące rozwoju akumulatorów, silników i elektronicznego sterowania. W jakim kierunku będzie się rozwijać silnik w przyszłości? Ponieważ zapotrzebowanie rynku na osiągi pojazdów w zakresie mocy jest coraz wyższe, napęd na cztery koła stał się konfiguracją z najwyższej półki dla wielu samochodów wyczynowych, a silniki dwuosiowe są stosowane przez coraz więcej producentów samochodów. Jak wybrać pomiędzy silnikiem z magnesami trwałymi a silnikiem indukcyjnym?
Chen Jing, dyrektor działu rozwoju silników w firmie Founder Motors, powiedział reporterom, że niedawno doszedł do spójnego wniosku po pełnej komunikacji z profesjonalistami z branży podczas dyskusji roboczej: silniki z magnesami trwałymi nadal stanowią główny nurt rynku.
„Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są szeroko stosowane od dawna, a ich historia rozwoju sięga dziesięcioleci. Najpierw zastosowano materiały ferrytowe, a gęstość energii stanowiła zaledwie 1/2 do 1/3 gęstości magnesów trwałych ziem rzadkich. Dlatego od około 2000 roku w przemyśle zaczęto dodawać do magnesów trwałych metale ziem rzadkich, co znacznie poprawiło gęstość energii silnika. – powiedział dziennikarzom Niu Mingkui. Wierzy, że trend rozwojowy produktów jest nierozerwalnie związany z charakterystyką samej technologii. Sądząc po aktualnej wydajności silnika, zalety silników z magnesami trwałymi ziem rzadkich nie mają sobie równych w przypadku innych typów silników, dlatego nadal będą one pierwszym wyborem w przypadku większości nowych pojazdów energetycznych, zwłaszcza, że są one używane jako główny silnik napędowy.
Rozumie się, że w porównaniu z innymi typami silników, silniki z magnesami trwałymi mają własne pola magnetyczne, nie wymagają wzbudzenia, nie mają odpowiednich strat, mogą zapewnić maksymalny moment obrotowy i mają doskonałą wydajność przekładni; jednocześnie mogą osiągnąć mały rozmiar i niską wagę, co znacznie oszczędza. Jednakże łatwo jest rozmagnesować w wysokiej temperaturze i nie można regulować prędkości w czasie rzeczywistym.
W silnikach elektrycznych wzbudzonych i silnikach indukcyjnych nie stosuje się materiałów ziem rzadkich, co pozwala zaoszczędzić koszty, ale występują również nierozstrzygnięte problemy. Konstrukcja wirnika silnika synchronicznego o wzbudzeniu elektrycznym jest skomplikowana i występuje w nim szczotka węglowa z pierścieniem ślizgowym, która ma słabą niezawodność. Szczotkę węglową należy regularnie konserwować i wymieniać, a koszty konserwacji są wysokie. Indukcyjny silnik prądu przemiennego wytwarza indukowane pole magnetyczne poprzez odcięcie pola magnetycznego, w związku z czym siła magnetyczna ma histerezę; ale indukcyjny silnik asynchroniczny prądu przemiennego ma lepszą wydajność przy dużych prędkościach i jest obecnie powszechnie stosowany jako konfiguracja kombinacji napędu na cztery koła. Na przykład Tesla Model 3 wykorzystuje indukcyjny silnik prądu przemiennego w połączeniu z silnikiem z magnesami trwałymi jako silnik przedniej osi pojazdu z napędem na cztery koła; Model Weilai jest przeciwieństwem Modelu 3 i wykorzystuje kombinację silnika synchronicznego z magnesami trwałymi na przednim kole i asynchronicznego silnika prądu przemiennego na tylnym kole. Program kombinowany.
W związku z tym Niu Mingkui wyjaśnił: „Chociaż silnik indukcyjny może również osiągnąć taką samą wydajność pracy jak silnik z magnesami trwałymi, zwiększy ilość innych materiałów, takich jak miedź i stal krzemowa, a także jest większy, cięższy i zajmuje więcej miejsca. Dlatego w obecnym przemyśle rzadko stosuje się silniki asynchroniczne jako główny silnik napędowy.
Chen Xiaoyong, menedżer produktu Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,powiedział reporterom bez ogródek, że przemówienie Tesli wydawało się chwytem marketingowym, ale nie miało większego wpływu na krajowe koncerny motoryzacyjne. „Wszyscy są zgodni co do tego, że głównym nurtem krajowych silników pojazdów wykorzystujących nową energię są nadal silniki z magnesami trwałymi i nie można z nimi porównywać wydajności silników o wzbudzeniu elektrycznym i silników indukcyjnych. Globalna zawartość pierwiastków ziem rzadkich jest wystarczająca i jest mało prawdopodobne, aby podważyła silników z magnesami trwałymi w krótkim czasie” – powiedział.
Wielu znawców branży również podziela ten pogląd. Zdaniem Huo Congchonga chiński rynek motoryzacyjny będzie nadal zdominowany przez silniki z magnesami trwałymi przez co najmniej 10 lat. W tej dziedzinie nie ma kryzysu łańcucha dostaw, a krajowe silniki pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii również zwykle korzystają z mniej ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, a koszty nadal spadają. zalety stają się coraz bardziej widoczne.
Cały przemysł motoryzacyjny ogranicza stosowanie ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, ale pierwiastki ziem rzadkich nie będą stosowane. W rozmowie z reporterami m.in.Gong Jun, ekspert ds. odpowiedzialności motorycznej w krajowej specjalnej grupie ekspertów ds. kluczowych technologii nowych pojazdów energetycznych, zauważył, że produkcja kopalni w Chinach jest wystarczająca, więc nie ma powodów do zmartwień.Jednocześnie wraz z rozwojem procesu infiltracji dysprozu przemysł może zmniejszyć ilość ciężkich pierwiastków ziem rzadkich. Na razie Tesla nie zrezygnuje z silnika z magnesami trwałymi, co najwyżej zastanowi się, jak nie używać ciężkich pierwiastków ziem rzadkich.
„Wiele firm zagranicznych mogło stosować w silnikach wyłącznie lekkie pierwiastki ziem rzadkich, jednak z punktu widzenia warunków rynkowych klienci krajowi nie akceptują zbytnio rozwiązania ciężkich pierwiastków ziem rzadkich; dodatkowo rozwiązanie to będzie stwarzało problemy z rozmagnesowaniem, co będzie skutkowało niższymi efektywność. Jest to problem, który należy rozwiązać.” – powiedział reporterom Huo Congchong.
Ziemia rzadka nie jest już wąskim gardłem
Cały przemysł motoryzacyjny zaczął się rozwijać w kierunku redukcji pierwiastków ziem rzadkich, zwłaszcza ograniczenia stosowania ciężkich pierwiastków ziem rzadkich. Niu Mingkui powiedział, że rezerwy i ceny ciężkich i lekkich pierwiastków ziem rzadkich bardzo się różnią. Na przykład obecna cena rynkowa prazeodymu i neodymu wynosi ponad 700000 juanów/tonę, terbu nawet ponad 20 milionów juanów/tonę, a koszt lantanu i ceru pierwiastków ziem rzadkich jest niższy. Dziesiątki tysięcy juanów / tonę. Dlatego też przemysł osiągnął dobre wyniki w promowaniu eliminacji ciężkich pierwiastków ziem rzadkich i zmniejszaniu ilości lekkich pierwiastków ziem rzadkich, prazeodymu i neodymu.
„Podobnie jak poprzednie lekkie konstrukcje samochodów, poprzez zmniejszenie grubości blachy stalowej, zmniejszenie masy własnej, a następnie ulepszenie konstrukcji lub procesu spawania, pojazd ma lepszą sztywność, co nie zmniejsza bezpieczeństwa, ale także skutecznie osiąga niewielka waga. Kwantyfikacja. Teraz pomysł ograniczenia pierwiastków ziem rzadkich w silnikach jest taki sam. Niu Mingkui wyjaśnił dalej.
Reporter dowiedział się, że wraz z rozwojem technologii zastosowanie materiałów silnikowych uległo ogromnym zmianom. Chen Jing powiedział reporterom: „Kiedy po raz pierwszy użyliśmy materiałów magnetycznych do produkcji magnesów, zmieszaliśmy i wypaliliśmy pierwiastki ziem rzadkich i materiały na bazie żelaza, tak aby cały materiał ziem rzadkich był równomiernie rozprowadzony w magnesach. Ale w rzeczywistości magnes trwały jest synchroniczny silnik Zasada rozmagnesowania określa, że zawartość ciężkich pierwiastków ziem rzadkich na powierzchni stali magnetycznej musi zostać zwiększona, a zawartość ciężkich pierwiastków ziem rzadkich w obszarze centralnym powinna być niska i nierównomiernie rozłożona.Tradycyjna stal magnetyczna przyjmuje jednolity proces spiekania i w rzeczywistości wykorzystuje się dużą część ciężkich metali ziem rzadkich. W procesie tym nie spełniło to swojej należnej wartości.
W ostatnich latach, w związku z postępem procesu produkcyjnego, powierzchnię i wnętrze stali magnetycznej można podzielić, a technologię dyfuzji na granicy ziaren wykorzystuje się do naprawy i zwiększenia właściwości magnetycznych powierzchni magnesu. Doniesiono, że japońscy badacze jako pierwsi zaproponowali koncepcję „dyfuzji na granicy ziaren”, stosując specjalny proces, aby ciężkie pierwiastki ziem rzadkich dyfundowały tylko na granicy ziaren, a nie do wnętrza ziarna, co nie tylko poprawia wydajność materiałów NdFeB, ale także znacznie zmniejsza Całkowita ilość ciężkich pierwiastków ziem rzadkich zmniejsza koszt materiału. Technologia dyfuzji na granicy ziaren krajowych również szybko się rozwinęła i stała się niemal standardową konfiguracją nowych produktów, znacznie zmniejszając ilość ciężkich pierwiastków ziem rzadkich. Według niepełnych statystyk, dzięki bardziej ukierunkowanemu systemowi rozpowszechniania w celu selekcji stali magnetycznej, firma Founder Motor może zmniejszyć zużycie ciężkich pierwiastków ziem rzadkich o 20–30 procent rocznie, a dotychczas zmniejszyło się o prawie 50 procent. „Nie ma jednak jasnego rozwiązania, czy wykorzystanie ciężkich pierwiastków ziem rzadkich będzie w pewnym stopniu bliskie zeru, ponieważ ciężkie pierwiastki ziem rzadkich są cenne dla poprawy wydajności stali magnetycznej, antywibracji i odporności na wysokie temperatury, więc nie da się ich całkowicie zastąpić w krótkim okresie” – podkreślił Niu Mingkui.
Zdaniem Gong Juna postęp technologiczny w zakresie zastosowań pierwiastków ziem rzadkich osiągnął stosunkowo wysoki poziom i nie jest to już głównym celem badań. Zagraniczne firmy pracują nad rozwiązaniami niezawierającymi lub niezawierającymi pierwiastków rzadkich, zatem nie ma potrzeby martwić się o zapasy zasobów pierwiastków rzadkich.
W rzeczywistości wiele firm opracowuje technologię wytwarzania tanich spiekanych magnesów NdFeB z dodatkiem lantanu i ceru, aby zaspokoić zapotrzebowanie rynku na tanie magnesy trwałe ziem rzadkich o regulowanym strumieniu. Rozdrobnienie ziarna, dyfuzja granic ziaren i regulacja granic ziaren oraz inne technologie są również szeroko stosowane w produkcji masowej, zmniejszając ilość ciężkiego terbu i dysprozu, będącego pierwiastkiem ziem rzadkich, zmniejszając w ten sposób koszt surowca produktu.
„Wcześniej wszyscy byli bardzo splątani. Chociaż mój kraj ma zalety w postaci zasobów pierwiastków ziem rzadkich, obawiam się, że wahania cen w rzeczywistym wykorzystaniu będą zbyt duże, a innowacyjność materiałów i procesów jest również ograniczona poziomem cen metali rzadkich ziemie. Obecna tendencja polega na zmniejszaniu objętości silników. Przedsiębiorstwa będą zwiększać prędkość silników, co zmniejsza wymagania dotyczące magnetyzmu. Obecnie przemysł ma coraz niższe wymagania dotyczące metali ziem rzadkich i jeśli nadal będą spadać, ilość ciężkich pierwiastków ziem rzadkich również się zmniejszy” – powiedział Gong Jun.
Pod tym względem Niu Mingkui również przeanalizował to pod trzema względami: po pierwsze, światowe zasoby pierwiastków ziem rzadkich są wystarczające, więc nie ma się czym martwić; po drugie, w obecnych warunkach rozwoju technologicznego zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich w silnikach jest znacznie mniejsze niż wcześniej, a stopień uzależnienia od pierwiastków ziem rzadkich. Jeszcze raz warto wspomnieć, że wraz z rozwojem branży recyklingu silników pierwiastki ziem rzadkich Materiały z silników odpadowych można technicznie oczyścić i poddać recyklingowi w blisko 100 procentach, co jest również ważnym źródłem pierwiastków ziem rzadkich. „Materiały ziem rzadkich potrzebne w przeszłości do produkcji jednego silnika mogą w przyszłości zostać wykorzystane do wyprodukowania dwóch nowych silników”. Powiedział, że w miarę dalszego rozwoju rynku pojazdów wykorzystujących nowe źródła energii w przyszłości recykling silników może być ważnym źródłem materiałów ziem rzadkich. Oczekuje się również, że „Dafeng” ziem rzadkich zostanie zrealizowany przed terminem. W tym czasie metale ziem rzadkich materiały mogą osiągnąć organiczną równowagę dynamiczną, podobnie jak nowe pojazdy energetyczne.
