无稀土马达时代到来 电动车驶向永续之路

无论是基于政治影响、生产成本，或保护环境的前提下，开发出不需要稀土的电动车用马达，已经是全球电机业者卯足全力发展的一个重大方向。
电动车采用感应马达，从20世纪的90年代到2000年代初期，实际上已经有相当长的一段时间。然而，随着永磁同步马达的出现，感应马达已经逐渐不被采用。
但是，永磁同步马达需要透过稀土元素来确保耐热性（这是磁铁的弱点），并且可以在小型尺寸的马达中产出高扭力。
目前混合动力（HV）和纯电动车（EV）等永磁同步马达，几乎都是使用钕、镝等重稀土材料，这是因为透过使用稀土，可以提高马达的耐热性，并且获得高驱动力和发电量。不过，因为全球电动车，以及风力发电等再生能源的普及，刺激了稀土的需求增加，也因此推动了价格飙升。

稀土限制迫使开发新一代车用马达
由于2010年中国政府针对日本限制稀土出口，近期再加上中美摩擦，导致中国又宣布限制稀土出口到美国，且由于与美国的贸易局势持续紧张，中国对于稀土的输出可能会再次受到限制，这一点已在接下来的出货量得到了证实（图一）。

 

图一 爱沙尼亚的Silmet工厂，一名工人展示分离过程中的稀土氧化物。（source：AXION）

这迫使了美日欧等车厂纷纷改变电动车马达开发策略，朝向减少使用稀土材料，甚至完全不使用稀土的技术转变。美国政府更是从政策面着手，透过反通膨法案的规范，要求美国车厂对于电动车整车组装的零组件，以及矿物原料都必须要从北美当地提供，如果车上的磁铁大量使用中国来的矿物，就无法获得补助。日本政府也调整政策，致力于减少稀土使用量以降低风险，或协助业者分散稀土来源。这样的演变，使得BMW、丰田和通用汽车等其他汽车制造商，也开始呼吁减少对稀土的依赖。

特斯拉以发展无稀土永磁马达为目标
特斯拉在2023年3月宣布将推出一款全新永磁马达（PMSM），完全不使用稀土元素，背后的考虑应该和美国政府的补助息息相关。
其实特斯拉最早使用的马达，并没有使用稀土，因为他们一开始采用的是交流电马达。但为了降低成本，在后续所开发的车型，开始使用永磁直流马达来驱动后轮，并透过在马达转子中放置永久磁铁，传动轴无需感应电流即可旋转。
在降低对稀土的依赖方面，根据动力总成工程副总裁Colin Campbell表示，目前Model 3和Model Y已经将稀土消耗量减少了四分之一。
Campbell在这次宣布特斯拉将不再使用稀土元素的演讲中，展示了2张关于三种「神秘材料」关键性投影片，稀土1、稀土2和稀土3。第一张投影片展示了目前的特斯拉，马达中使用的稀土总量从500克到10克不等（图二）；下一张投影片是未来技术的目标数据，一切都设定为「0」（图三）。

图二 目前特斯拉马达中，使用的稀土总量从500克到10克不等。（source：TESLA）

 
图三 特斯拉新一代马达技术的研发目标数据，稀土的使用量都设定为「0」。（source：TESLA）
从磁性材料研究人员的角度来看，这个「稀土1」是什么就一目了然了。它就是钕，与铁和硼结合时可以产生强大的永久磁场。但以目前来说，几乎没有其他物质具有这种特性，能够产生足以提供2000公斤的特斯拉汽车、工业机器人和战斗机等提供动力。如果特斯拉的马达中不再使用钕等稀土元素的话，那么他们会使用哪种磁铁来代替？便成了现场最大的黑箱技术。
产业界已经有专家朝向猜测利用钴或是铁氧体等其他化学元素来取代钕，其中被认为最有可能的是铁氧体。铁氧体是一种将铁和氧与少量金属（例如锶）混合制成的陶瓷。它价格便宜且易于生产，自20世纪以来，它已被用于各种情况，包括用作保持冰箱门关闭的磁铁材料。
另一方面，根据国外的媒体报导，因为铁氧体的磁力只有同量的钕的十分之一左右，这就产生了磁力不足的新问题。但由于特斯拉的老板Elon Musk是出了名的不妥协，因此如果特斯拉坚持要使用铁氧体的话，就必须在某个地方做出妥协。

日本大发汽车改变绕线技术开发新车用马达
相对于特斯拉的马达材料选择策略改变，日本大发汽车企图跳出永磁马达的竞争圈，透过旗下的METALART和Yamada Power Unit展开合作，开发了一种无需永久磁铁的同步磁阻马达（SynRM）。Yamada Power Unit的核心技术是开发无人机和电动车动力装置。而Metal Art的业务是以制造引擎和变速箱零件为主。
就如前述，目前电动车的永久磁同步马达，是使用稀土元素作为磁铁主原料，而日益上涨的价格已经是永久磁同步马达扩大市场的一个障碍。尽管这款SynRM实际量产的时间尚未确定，但目标是创建低成本、高效制造的SynRM马达。
SynRM的想法透过定子磁力与马达旋转部分铁芯磁阻差异，产生的磁极之间的相互作用产生扭矩（旋转力）。由于它仅采用铁芯和铜的材料来组成，因此可以降低成本、提高制造高效率。

 
图四 同步磁阻马达（SynRM）与永久磁石同步马达的结构差异。（source：METALART）

因此METALART和Yamada Power Unit透过优化设计作业，对超过10万个设计外型进行了形状仿真，大幅度地提高了SynRM的产量和效率。此外还改变绕线方法，不仅达到缩小产品尺寸的目标，还可以减少约10%的铜用量。
目前METALART和Yamada Power Unit主要开发的目标是，缩小SynRM的尺寸，同时还降低大量生产的成本，并从电动四轮驱动应用开始商业化。因为许多大公司已经进入电动车驱动系统，市场的竞争非常剧烈。因此在初期希望避开此一红海战场，转向专注于小型四轮驱动的后驱车这一利基市场。

日产X-in-1总成技术降低稀土使用比例
同样是日系车厂的日产，在2023年3月宣布将采用名为「X-in-1」的全新动力总成技术，到2026年将动力总成的成本较2019年降低30%（图五）。此外，混合动力电动车和传统内燃机汽车的价格，预计将在同一时间达到接近的水平。
针对电动车的部分，日产表示，随着固态电池技术的引入，相信「最终」也将达到相同的价格水平。全新动力总成技术-X-in-1，在透过整合马达和逆变器，并直接冷却逆变器内部的电子组件，整体尺寸缩小了25%。

 
图五 日产对于X-in-1的目标是，到2026年将动力总成的成本降低30%。（source：NISSAN）

其中电动车马达的技术部分，日产在新一代的SUV电动车-Aria中采用了线绕磁场系统，该系统也是不采用永久磁铁，而是利用电流的通过，由绕线制成的转子磁力线圈（电磁铁）产生磁场，来达到减少稀土中特别稀有的重稀土的使用。这个技术是基于已在雷诺电动车中实际使用的技术而开发。
它的优点是即使在高速运转和高速旋转时，也不会损失效率。但由于电刷机构需要空间直接向线圈传递电流，因此体积较大，成本较高。因此，日产正积极开发了一种减少稀土用量的永磁同步电机。
日产期望到2025年，透过这些新技术，将稀土的使用比例降低到1%以下。达到此目标下，对马达最大的设计是，改变马达转子表面的形状后，可以减少热损失来实现的。传统上，是透过分离放置在转子周围的磁铁来降低发热，但是在这种新一代的设计中，则是利用磁铁紧密地放置一起，减少稀土材料的使用量。

ZF藉新技术来取代永磁马达
以商用车传动和底盘技术闻名的的德国业者ZF Friedrichshafen，开发了一款不使用磁铁的电动汽车马达，而其性能更与永磁同步马达相当，但体积更小。
ZF的这款转子内感应励磁同步马达（I2SM），是透过转子轴中的感应励磁装置传输磁场能量，这与目前市场上的自励同步马达（SESM）的无磁概念截然不同，相比之下，电感式励磁器可将转子的能量传输损耗降低15%（图六）。
此外，和使用含稀土材料磁铁的PSM相比，生产过程中可减少二氧化碳排放量高达50%。ZF表示，这样的设计将使得电机结构独特紧凑，具有最大的功率输出和扭矩密度，ZF相信这种先进的I2SM马达是永磁同步马达的最佳替代产品。


图六  I2SM是透过转子轴中的感应励磁装置传输磁场能量，可将转子的能量传输损耗降低15%。（source：ZF Friedrichshafen）
除了结构紧凑、功能强大，以及不使用稀土等优点外，I2SM还可消除传统PSM电子马达中，所出现的阻力损失。因此，在某些特定的环境行驶下更能显出优势性，如高速公路上长时间高速行驶时，效率更高。
在传统的SESM概念中，转子中的磁场是由电流而不是磁铁产生的，这通常需要滑动或电刷组件，因此必须有很大的改进幅度。此外，还无法进入干燥的安装空间，即无法进行油冷却，并且需要额外的密封制成另一方面，传统SESM还在轴向上使用了约90mm的空间。
为了提供具有竞争力的独立励磁同步电机优势，ZF成功地弥补了普通独立励磁同步电机在设计上的不足。励磁系统与转子在空间上的中立整合意味着不存在轴向空间上的劣势。
此外，ZF功弥补了典型自励同步马达的设计缺陷，开发出更具优势的自励同步马达。特别是，采用了新一代的转子设计后，转矩密度已经明显高于传统产品，同时因为将励磁系统整合到转子的空间内，除了轴向空间的损失已不存之外，转子中功率密度的增加，使得性能也大幅度的提高。
未来，ZF计划将I2SM技术开发到可大量生产的水平，并将其作为电子驱动平台的选项之一，开发不同车款的车厂可根据各自的应用选择400V架构或800V的架构。值得一提的是，800V架构在电力的电子机构中采用了最新的碳化硅技术芯片。

未来电动车用马达的发展趋势
新观念技术
车用马达的技术发展生态系统中，对于耗能、动力输出和成本的要求是相当严格，目前除了SESM、SynRM-IPM和SRM等技术之外，也有相当多的技术想法被提出来。

这些新一代的创新马达技术包括：
● Linear实验室的High Efficiency Torque（HET）：越来越受到业界和工程师的关注。Linear Labs这种独特的高效磁扭矩技术，与类似功率和尺寸的传统马达相较，所能提供的扭矩重量比高出3倍。除了不需要使用变速箱外，在材料的革命性上，铜的使用量减少了30%，更完全不使用稀土磁体，而是使用现成的铁氧体磁铁。
● 横向磁通马达（Transverse Flux motors）：也开出现在车用马达讨论的范围中，被视为是传统径向磁通系统（Radial Flux Systems）的替代品。
● TSRF新型高效电动马达：电动车制造商Omega Seiki Mobility（OSM）在2022年2月宣布，与以色列新创公司EVR Motors结成策略联盟，在印度生产基于TSRF技术的新型高效电动马达，可用于目前和未来的电动车车型。这款马达采用了梯形定子径向磁通（TSRF）技术，可支持大功率和扭力范围，电压范围为48V至800V，适合不同功率等级和各种速度。

无稀土电机
环境和供应挑战是电机设备制造商发展「无稀土马达策略」的驱动力。不过，稀土是一个以中国为中心的重大地缘政治问题，虽然稀土对环境具有极大的破坏性，但在大多数情况下，当今绝大多数最先进的电动汽车都需要这些非常稀有、非常昂贵、对环境破坏性极大的材料来实现高性能。
因此，无论是基于政治影响、生产成本，或保护环境的前提下，开发出不需要稀土的电动车用马达，已经是全球电机业者卯足全力发展的一个重大方向，而全球电动车产业也都在引颈期盼着这个时代的到来。