¿Sin tierras raras ni motor? Escuchar a los proveedores nacionales interpretando los entresijos de la reducción de tierras raras en los motores
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Recientemente, Colin Campbell, vicepresidente del negocio de sistemas de propulsión de Tesla, dijo que los motores de próxima generación de la compañía no utilizarán materiales de tierras raras en absoluto. Este mensaje fue como una piedra arrojada a un lago en calma, causando conmoción en la industria. Se informa que de 2017 a 2022, Tesla redujo con éxito el uso de tierras raras en el módulo de propulsión del Modelo 3 en un 25 por ciento gracias a la mejora de la eficiencia del sistema de transmisión. En 2020, Tesla reveló que está desarrollando un nuevo tipo de motor no magnético: motor de reluctancia conmutada de imán permanente de superficie (SPSRM), que combina las ventajas de los motores de imán permanente y los motores de reluctancia conmutada (SRM). , evitando las desventajas de ambos, puede lograr alta eficiencia, alta densidad de potencia y alta densidad de par sin utilizar materiales de tierras raras.
Tesla es conocida como la veleta de la era de los vehículos de nueva energía. ¿Cuál es el motor sin tierras raras que defiende? ¿Qué impacto puede generar en la industria?
Que no haya tierras raras no significa que no haya magnetismo
En el contexto de la práctica del camino verde y con bajas emisiones de carbono y la promoción del desarrollo de la electrificación de manera integral, las baterías, los motores y los controles electrónicos se han convertido en las "tres nuevas partes principales" que son indispensables para los vehículos de nuevas energías, y la Los motores asumen todas las funciones relacionadas con la conducción de vehículos. .
En la actualidad, existen tres tipos principales de motores utilizados en vehículos de nueva energía: motores síncronos de imanes permanentes, motores síncronos de excitación eléctrica y motores asíncronos de CA. Los motores síncronos de imanes permanentes son la opción principal en la industria, pero debido al alto costo de los materiales de tierras raras y las reservas limitadas en los últimos años, la voz de ser reemplazados se ha vuelto cada vez más fuerte.
Se sabe que las tierras raras representan casi el 20 por ciento del coste de los motores de imanes permanentes. Como clase de elementos metálicos con propiedades físicas y químicas especiales, se ha utilizado ampliamente en muchos campos de alta tecnología. Hay una vívida metáfora en el mercado. Si el petróleo es la sangre de la industria, las tierras raras son las vitaminas de la industria, especialmente para la industria del automóvil. En los motores de imanes permanentes, el neodimio hierro boro (NdFeB) es uno de los materiales de imanes permanentes más utilizados, con alta remanencia y producto energético. Y sus tres tipos de elementos constituyentes de tierras raras: neodimio (Nd), praseodimio (Pr) y disprosio (Dy), que son de gran ayuda para mejorar el magnetismo dinámico, la resistencia al calor, prolongar la vida útil y reducir el ruido del motor. Por lo tanto, a pesar del alto costo, los motores de imanes permanentes siempre han sido la configuración principal de los vehículos de nueva energía.
La afirmación de Tesla de que la próxima generación de motores no utilizará materiales de tierras raras en absoluto parece haber sacudido el estatus de los motores de imanes permanentes y los materiales de tierras raras. Desde la perspectiva de la tecnología y el mercado, ¿cómo debemos interpretar la tendencia de la industria?
De hecho, Tesla no es la única empresa que propone que los motores no utilicen tierras raras. En 2021, Mahle, una empresa alemana de repuestos para automóviles, desarrolló un nuevo motor que no requiere materiales de tierras raras; Luego, en 2022, BMW también lanzó el motor sin tierras raras de quinta generación. Los expertos de la industria creen que Tesla y otras empresas están ansiosas por desarrollar motores sin tierras raras, no tanto debido al desarrollo tecnológico, sino más bien por consideraciones geopolíticas.
Según las estadísticas, alrededor del 97 por ciento de las materias primas de tierras raras del mundo provienen de China. Según los datos, las tierras raras son un recurso estratégico importante con propiedades únicas y un elemento clave indispensable para transformar las industrias tradicionales, desarrollar industrias emergentes y la industria de tecnología de defensa nacional. Anteriormente, los precios de exportación de tierras raras de China eran bajos. Con el continuo aumento del costo de la extracción y refinación de materias primas de tierras raras, el control de las exportaciones de materiales de tierras raras se ha vuelto más estricto y las empresas automotrices extranjeras han comenzado a encontrar otra salida.
Sin embargo, los expertos de la industria creen que llamar a un motor "libre de imanes" sólo porque no utiliza tierras raras es inexacto.Niu Mingkui, director generalde Zhejiang Fundador Motor Co., Ltd.(En lo sucesivo, "Founder Motor"), le dijo al reportero de "China Automobile News" que los imanes permanentes de tierras raras son sólo una forma de establecer el campo magnético principal de los motores síncronos, y que las empresas también pueden utilizar otros métodos, pero en cualquier En este caso, se debe establecer un campo magnético para hacer funcionar el motor, por lo que es obviamente un "truco" proponer un motor no magnético. En su opinión, el plan de Tesla se comprende bien. Se pueden adoptar los siguientes métodos para motores que no utilizan tierras raras: usar ferrita en lugar de tierras raras como imanes permanentes, o usar motores síncronos excitados eléctricamente y luego motores de inducción de CA.
3 conjeturas sobre Tesla
Como líder de los vehículos eléctricos, los movimientos de Tesla han atraído la atención de toda la industria del motor. Respecto al motor Tesla de próxima generación que no utiliza tierras raras,Huo Congchong, director de ingeniería de BorgWarnertiene tres conjeturas.
En primer lugar, "sin tierras raras" puede referirse a que no haya tierras raras pesadas, ni a todas las tierras raras. Huo Congchong dijo a los periodistas: "En general, las tierras raras utilizadas en los motores se refieren a tierras raras pesadas, como terbio (Tb), disprosio (Dy), holmio (Ho), neodimio (Nd), praseodimio (Pr) y otros elementos. "Los diferentes motores utilizan diferentes elementos de tierras raras pesadas debido a su pequeño stock y su alto costo. Ahora, las empresas están optando por utilizar más tierras raras ligeras y reducir el uso de tierras raras pesadas".
En segundo lugar, también es posible sustituir el motor síncrono de imán permanente por un motor síncrono de excitación eléctrica. El núcleo del motor de excitación eléctrica es reemplazar el imán permanente con la bobina de excitación eléctrica y cambiar la fuerza magnética ajustando la corriente de la bobina, para lograr diferentes requisitos de rendimiento de potencia a diferentes velocidades del vehículo. Al mismo tiempo, la bobina de excitación eléctrica puede eliminar las desventajas de la desmagnetización y la parada del imán permanente a alta temperatura, y el debilitamiento del campo se puede lograr reduciendo la corriente de excitación a alta velocidad, y el cambio de velocidad se puede lograr controlando La intensidad de la excitación y la seguridad también son mejores. Esto es lo que hace el motor magnético de quinta generación de BMW.
La mayor diferencia entre el motor de excitación eléctrica y el motor de imán permanente es el rotor. El principio del primero es agregar bobinas al rotor y utilizar el dispositivo de escobillas de carbón para introducir la corriente de excitación. Sin embargo, esto ha traído un nuevo problema: la confiabilidad y durabilidad de las escobillas de carbón tendrán un gran impacto en la eficiencia de trabajo del motor.
En tercer lugar, en principio también se puede realizar la vía de la excitación mixta. Bajo la premisa de mantener una alta eficiencia, este nuevo tipo de motor cambia la estructura de la topología y el campo magnético principal es generado por dos fuentes de excitación para realizar la regulación y el control, y mejorar la regulación de velocidad, el rendimiento del variador o las características de regulación de voltaje del motor. . Es decir, el imán permanente no utiliza materiales de tierras raras, sino ferrita y luego agrega algo de excitación eléctrica, etc., pero esta solución tiene propiedades magnéticas deficientes y una eficiencia de trabajo limitada. más grande y más pesado.
"Por supuesto, todavía no podemos descartar la posibilidad de que Tesla haya logrado un avance importante en nuevos materiales; pero si no, creo que la primera de estas tres soluciones es la más probable". Hay empresas estadounidenses que pueden desarrollar una solución para el uso de tierras raras pesadas "cero" en motores. Creo que este no es un desafío difícil para Tesla.
El estado del motor de imán permanente aún no ha cambiado
En la era de la electrificación del automóvil, se han planteado nuevos requisitos para el desarrollo de baterías, motores y controles electrónicos. ¿En qué dirección se desarrollará el motor en el futuro? A medida que la búsqueda del mercado por el rendimiento energético de los vehículos es cada vez mayor, la tracción en las cuatro ruedas se ha convertido en una configuración de alta gama para muchos automóviles de alto rendimiento, y cada vez más empresas automotrices han adoptado motores biaxiales. ¿Cómo elegir entre motor de imán permanente y motor de inducción?
Chen Jing, director del Departamento de Desarrollo de Motores de Founder Motors, dijo a los periodistas que recientemente llegó a una conclusión coherente después de comunicarse plenamente con profesionales de la industria en una discusión de trabajo: los motores de imanes permanentes siguen siendo la corriente principal en el mercado.
"Los motores síncronos de imanes permanentes se han utilizado ampliamente durante mucho tiempo y tienen una historia de décadas de desarrollo. Se utilizaron por primera vez materiales de ferrita y la densidad de energía es sólo de 1/2 a 1/3 de la de los imanes permanentes de tierras raras. Por lo tanto, alrededor del año 2000, la industria comenzó a agregar materiales de tierras raras a los imanes permanentes, lo que mejoró enormemente la densidad de energía del motor". Niu Mingkui dijo a los periodistas. Él cree que la tendencia de desarrollo de productos es inseparable de las características de la tecnología misma. A juzgar por el rendimiento actual del motor, las ventajas de los motores de imanes permanentes de tierras raras no tienen comparación con otros tipos de motores, por lo que seguirá siendo la primera opción para la mayoría de los vehículos de nueva energía, especialmente si se utiliza como motor de accionamiento principal.
Se entiende que, en comparación con otros tipos de motores, los motores de imanes permanentes tienen sus propios campos magnéticos, no requieren excitación, no tienen pérdidas correspondientes, pueden proporcionar un par máximo y tienen un rendimiento de eficiencia de transmisión excelente; al mismo tiempo, pueden lograr un tamaño pequeño y un peso reducido, lo que supone un gran ahorro. Sin embargo, es fácil desmagnetizarlo a altas temperaturas y no puede ajustar la velocidad en tiempo real.
Los motores de excitación eléctrica y los motores de inducción no utilizan materiales de tierras raras, lo que ahorra costes, pero también plantean problemas pendientes. La estructura del rotor del motor síncrono de excitación eléctrica es complicada y hay un dispositivo de escobillas de carbón con anillo colector, que tiene poca confiabilidad. La escobilla de carbón debe recibir mantenimiento y reemplazo con regularidad, y el costo de mantenimiento es alto. El motor de CA de inducción genera un campo magnético inducido al cortar el campo magnético, por lo que la fuerza magnética tiene histéresis; pero el motor asíncrono de CA de inducción tiene un mejor rendimiento a alta velocidad y actualmente se usa comúnmente como una configuración combinada de tracción en las cuatro ruedas. Por ejemplo, el Tesla Model 3 utiliza un motor de CA de inducción combinado con un motor de imán permanente como motor del eje delantero de un vehículo con tracción en las cuatro ruedas; El modelo de Weilai es lo opuesto al Modelo 3, ya que utiliza una combinación de motor síncrono de imán permanente de rueda delantera más motor asíncrono de CA de rueda trasera. Programa combinado.
Al respecto, Niu Mingkui explicó: "Aunque el motor de inducción también puede lograr la misma eficiencia de trabajo que el motor de imán permanente, aumentará la cantidad de otros materiales como el cobre y el acero al silicio, y también es más grande, más pesado y "Ocupa más espacio. Por lo tanto, la industria actual rara vez utiliza motores asíncronos como motor de accionamiento principal".
Chen Xiaoyong, gerente de producto de Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,Dijo sin rodeos a los periodistas que el discurso de Tesla parecía un truco, pero que no tuvo mucho impacto en las empresas de automóviles nacionales. "Todo el mundo tiene un consenso en que la corriente principal de los motores de vehículos nacionales de nueva energía siguen siendo los motores de imanes permanentes, y la eficiencia de los motores de excitación eléctrica y los motores de inducción no se puede comparar con ellos. El contenido global de tierras raras es suficiente y es poco probable que subvierta motores de imanes permanentes en poco tiempo'", afirmó.
Muchos conocedores de la industria también comparten la misma opinión. En opinión de Huo Congchong, el mercado automovilístico chino seguirá estando dominado por los motores de imanes permanentes durante al menos 10 años. No hay crisis en la cadena de suministro en este campo, y los motores de vehículos nacionales de nueva energía también tienden a utilizar tierras raras menos pesadas y el costo sigue bajando. , las ventajas se vuelven cada vez más destacadas.
Toda la industria del motor está reduciendo la aplicación de tierras raras pesadas, pero no se utilizarán tierras raras. En una entrevista con periodistas,Gong Jun, un experto en responsabilidad motora del grupo nacional especial de expertos en tecnología clave de vehículos de nueva energía, señaló que la producción minera de China es suficiente, por lo que no hay necesidad de preocuparse.Al mismo tiempo, con el desarrollo del proceso de infiltración de disprosio, la industria puede reducir la cantidad de tierras raras pesadas. En la actualidad, Tesla no abandonará el motor de imán permanente, como máximo considerará cómo no utilizar tierras raras pesadas.
"Muchas empresas extranjeras han podido utilizar sólo tierras raras ligeras para sus motores, pero desde la perspectiva de las condiciones del mercado, los clientes nacionales no aceptan mucho la solución de tierras raras pesadas; además, esta solución tendrá problemas de desmagnetización, lo que resultará en menores "Eficiencia. Es un problema que necesita ser resuelto". dijo Huo Congchong a los periodistas.
Las tierras raras ya no son un cuello de botella
Toda la industria del motor ha comenzado a desarrollarse en la dirección de reducir las tierras raras, especialmente reduciendo el uso de tierras raras pesadas. Niu Mingkui dijo que las reservas y los precios de las tierras raras pesadas y las tierras raras ligeras son muy diferentes. Por ejemplo, el precio de mercado actual del praseodimio y el neodimio es de más de 700000 yuanes/tonelada, el del terbio llega a más de 20 millones de yuanes/tonelada y el costo de las tierras raras de lantano y cerio es menor. Decenas de miles de yuanes/tonelada. Por lo tanto, la industria ha logrado buenos resultados al promover la eliminación de tierras raras pesadas y reducir la cantidad de tierras raras ligeras, praseodimio y neodimio.
"Al igual que el diseño liviano anterior de los automóviles, al reducir el espesor de la placa de acero, reducir el peso en vacío y luego mejorar el diseño estructural o el proceso de soldadura, el vehículo tiene una mejor rigidez, lo que no reduce la seguridad, pero también logra efectivamente peso ligero. Cuantificación. Ahora, la idea de reducir las tierras raras en los motores es la misma." Niu Mingkui explicó con más detalle.
El reportero conoció que con el avance de la tecnología, el uso de materiales de motor ha sufrido grandes cambios. Chen Jing dijo a los periodistas: "Cuando utilizamos por primera vez materiales magnéticos para fabricar imanes, mezclamos y disparamos elementos de tierras raras y materiales a base de hierro, de modo que todo el material de tierras raras se distribuyera uniformemente en los imanes. Pero, de hecho, el imán permanente sincrónico motor El principio de desmagnetización determina que el contenido pesado de tierras raras en la superficie del acero magnético debe aumentarse, y el contenido pesado de tierras raras en el área central debe ser bajo y no distribuido uniformemente.El acero magnético tradicional adopta un "El proceso de sinterización es uniforme y, de hecho, una gran parte de los materiales pesados de tierras raras se utilizan en el proceso, pero no tuvo el debido valor".
En los últimos años, debido al progreso del proceso de fabricación, la superficie y el interior del acero magnético se pueden dividir y la tecnología de difusión del límite de grano se utiliza para reparar y aumentar las propiedades magnéticas de la superficie del imán. Se informa que los investigadores japoneses propusieron por primera vez el concepto de "difusión en el límite del grano", utilizando un proceso especial para hacer que las tierras raras pesadas se difundan sólo en el límite del grano y no dentro del grano, lo que no solo mejora el rendimiento de los materiales NdFeB, sino también reduce en gran medida la cantidad total de elementos pesados de tierras raras reduce el costo del material. La tecnología nacional de difusión de límites de grano también se ha desarrollado rápidamente y casi se ha convertido en la configuración estándar de nuevos productos, lo que ha reducido en gran medida la cantidad de tierras raras pesadas. Según estadísticas incompletas, a través de un esquema de difusión más específico para la selección de acero magnético, Founder Motor puede reducir el uso de tierras raras pesadas entre un 20 y un 30 por ciento cada año, y hasta ahora lo ha reducido en casi un 50 por ciento. "Sin embargo, no hay una solución clara sobre si el uso de tierras raras pesadas será cercano a cero hasta cierto punto, porque las tierras raras pesadas son valiosas para mejorar el rendimiento del acero magnético, la antivibración y la resistencia a altas temperaturas, por lo que no pueden ser reemplazados completamente en el corto plazo", enfatizó Niu Mingkui.
En opinión de Gong Jun, el progreso tecnológico en el campo de las aplicaciones de tierras raras ha alcanzado un nivel relativamente alto y ya no es el objetivo principal de la investigación. Las empresas extranjeras están trabajando en soluciones sin tierras raras o sin ellas, por lo que no hay necesidad de preocuparse por el stock de recursos de tierras raras.
De hecho, muchas empresas están desarrollando la tecnología de preparación de imanes NdFeB sinterizados con lantano y cerio añadido de bajo costo para satisfacer la demanda del mercado de imanes permanentes de tierras raras de flujo ajustable y de bajo costo. El refinamiento de granos, la difusión de los límites de los granos y la regulación de los límites de los granos y otras tecnologías también se han utilizado ampliamente en la producción en masa, reduciendo la cantidad de terbio y disprosio de tierras raras pesadas, reduciendo así el costo de la materia prima del producto.
"Antes, todo el mundo estaba muy enredado. Aunque mi país tiene las ventajas de los recursos de tierras raras, me preocupa que las fluctuaciones de precios en el uso real sean demasiado grandes, y la innovación de materiales y procesos también esté restringida por el nivel de precios de las tierras raras. tierras. La tendencia actual es reducir el volumen de motores. Las empresas aumentarán la velocidad del motor, lo que reduce los requisitos de magnetismo. Ahora, la industria tiene requisitos cada vez más bajos para los grados de tierras raras, y si continúa bajando, la cantidad de tierras raras pesadas también disminuirá ", dijo Gong Jun.
Al respecto, Niu Mingkui también lo analizó desde tres aspectos: primero, las reservas globales de tierras raras son suficientes, por lo que no hay que preocuparse en absoluto; En segundo lugar, en las condiciones actuales de desarrollo tecnológico, el uso de tierras raras en motores es mucho menor que antes, y el grado de dependencia de las tierras raras. Una vez más, vale la pena mencionar que con el desarrollo de la industria del reciclaje de motores, las tierras raras Los materiales de los motores usados se pueden purificar y reciclar técnicamente cerca del 100 por ciento, lo que también es una fuente importante de tierras raras. "Los materiales de tierras raras necesarios para fabricar un motor en el pasado podrán utilizarse para producir dos nuevos motores en el futuro". Dijo que a medida que el mercado de vehículos de nueva energía continúe creciendo en el futuro, el reciclaje de motores puede ser una fuente importante de materiales de tierras raras. También se espera que "Dafeng" de tierras raras se realice antes de lo previsto. Los materiales pueden lograr un equilibrio dinámico orgánico al igual que los vehículos de nueva energía.
