如今，電力電子的主要驅(qū)動力之一是汽車電氣化，而其中電機(jī)又是動力總成的關(guān)鍵部分，電機(jī)的任何變化都會影響動力總成其他部件的特性，例如電池和逆變器。半導(dǎo)體咨詢機(jī)構(gòu)Yole Développement 在《Motors for Automotive 2022》報告中預(yù)計，到2027年，伴隨著重大技術(shù)的創(chuàng)新和供應(yīng)鏈重組，全球電機(jī)市場將超過130億美元。
Yole 電力電子技術(shù)與市場分析師 Abdoulaye Ly表示：“目前有四種技術(shù)用于全電動汽車的牽引電機(jī)。分別是永磁同步電機(jī)(PMSM)、永磁輔助同步磁阻電機(jī)(PMaSynRM)、感應(yīng)電機(jī)(IM) 和 電勵磁同步電機(jī)(EESM)。如今，PMSM 技術(shù)在電動汽車(EV) 行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在 Yole，我們預(yù)計它在未來幾年仍將是主要技術(shù)，這要歸功于它的高功率密度和效率。中國是最大的電動汽車市場，幾乎所有中國汽車制造商都使用 PMSM。”
永磁同步電機(jī) vs 交流異步電機(jī)
稀土永磁電機(jī)是70年代初期才出現(xiàn)的一種永磁電機(jī)，由于稀土永磁體的高磁能積(BHmax)和高矯頑力(特別是高內(nèi)稟矯頑力Hcj)，使得稀土永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、特性好等一系列優(yōu)點，與電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，曾使電機(jī)及傳動系統(tǒng)的性能提高到了一個嶄新的水平，側(cè)面也提高了所配套的技術(shù)裝備的性能和水平，是電機(jī)行業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。
稀土永磁電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、交流永磁伺服電機(jī)、永磁直線電機(jī)、特種永磁電機(jī)及相關(guān)的控制系統(tǒng)，幾乎覆蓋了整個電機(jī)行業(yè)。
稀土永磁電機(jī)與傳統(tǒng)同步電動機(jī)相比，用稀土永磁材料替代了傳統(tǒng)電機(jī)的電勵磁場。它既可達(dá)到傳統(tǒng)電勵磁電機(jī)所無法比擬的高性能，又可以制成能滿足特定運行要求的特種電機(jī)，如電梯曳引電機(jī)、汽車專用電機(jī)等。
永磁同步電機(jī)
原理上，永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子上嵌了永磁體后，以磁鋼的固有磁場作為勵磁源，形成固定磁極，不再需要外加能量就能建立很強(qiáng)的永久磁場。當(dāng)電機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，每120°(下圖綠藍(lán)紅線圈)就會制造一個吸引轉(zhuǎn)子永磁體的磁場，根據(jù)磁極同性相斥異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場帶動轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場旋轉(zhuǎn)速度相等。正常工作時，轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，啟動時可提高電機(jī)效率40%左右。
直流永磁同步電機(jī)工作原理
作為對比，交流異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))在工作時，轉(zhuǎn)子繞組要從電池吸收部分電能勵磁，消耗了電能，這部分電能最終以電流在轉(zhuǎn)子繞組中發(fā)熱消耗掉，該損耗約占電機(jī)總損耗的20~30%，它降低了電機(jī)的使用效率。而且重量偏大，11kW的異步電機(jī)重最為110kg，而永磁電機(jī)僅為48kg，相當(dāng)于交流異步電機(jī)重量的43.6%。
交流異步電機(jī)
稀土永磁電機(jī)的優(yōu)點具體如下：
(1)效率高 ：異步電動機(jī)效率曲線一般在 60%額定負(fù)載以下時下跌較快，輕載時效率很低。稀土永磁電動機(jī)效率曲線高而平，在 20%~120% 額定負(fù)載時均處于高效率區(qū)。
(2)功率因數(shù)高 ：稀土永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)實測值已接近極限值 1.0，功率因數(shù)曲線和效率曲線一樣高而平，功率因數(shù)高，不需要低壓無功補(bǔ)償，充分利用配電系統(tǒng)容量
(3)定子電流小 ：轉(zhuǎn)子無勵磁電流，無功功率降低，定子電流明顯下降，與同等容量異步電動機(jī)相比，定子電流值可下降 30%~50%。同時，因定子電流大幅降低，電機(jī)溫升下降，軸承潤滑脂及軸承壽命延長。
(4)高失步轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩 ：稀土永磁同步電機(jī)有較高的失步轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)具有較高的負(fù)載能力，并可以順利牽入同步。
不過這類電機(jī)的缺點也很明確，就是：
(1)成本高 ：與同規(guī)格異步電機(jī)相比，定、轉(zhuǎn)子間氣隙更小，各部件加工精度高 ;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，稀土磁鋼材料價格高 ;總體下來電機(jī)制造成本高。
(2)全壓啟動時沖擊大 ：全壓啟動時，能在極短的時間牽入同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械沖擊大，啟動電流是額定電流的 10 倍以上，對供電系統(tǒng)的沖擊大，要求供電系統(tǒng)的容量大。
(3)稀土磁鋼易退磁 ：永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，降低永磁電動機(jī)的性能。
“萬磁王”——釹鐵硼磁鐵
永磁材料主要分為金屬合金永磁材料、鐵氧體永磁材料、稀土永磁材料，其中稀土材料又分為釤鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料，稀土永磁材料是金屬系和鐵氧體系之后開發(fā)成功的第三代永磁材料。
這里“價格高”的永磁材料主要是釹鐵硼磁鐵(NdFeB magnet)，是由釹、鐵、硼(Nd2Fe14B)形成的四方晶系晶體，所以永磁同步電機(jī)也被稱為“釹永磁電機(jī)”。1982年，日本住友特殊金屬的佐川真人(Masato Sagawa)發(fā)現(xiàn)釹磁鐵，磁能積大于釤鈷磁鐵，是全世界已發(fā)現(xiàn)磁能積最大的物質(zhì)，有“萬磁王”之稱。
實驗顯示，兩塊巴掌大的釹鐵硼磁鐵，相吸的時候能輕松把放置在中間的蘋果手表壓得粉碎
釹元素屬于稀土，中國是全球稀土儲量大國，也是全球稀土出口量最大的國家，據(jù)估計有4400萬噸的稀土儲量，同時也是全球稀土磁材制造中心。中科三環(huán)是國內(nèi)釹鐵硼龍頭企業(yè)，也是全球第二大釹鐵硼制造商，產(chǎn)品中約55%左右用于汽車電機(jī)(包含新能源汽車驅(qū)動電機(jī))。此外，中國還有寧波韻升、正海磁材、金力永磁、英洛華等稀土永磁主要生產(chǎn)企業(yè)。
在供需端，近年來，受新能源汽車、電子產(chǎn)業(yè)、風(fēng)電產(chǎn)業(yè)等下游企業(yè)快速發(fā)展的影響，稀土的需求量有較大幅度增長。智研咨詢發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020-2022年，全球新能源汽車高性能釹鐵硼需求量分別達(dá)到1.67萬噸、2.34萬噸、3.09萬噸，增速分別為46%、40%、42%。
根據(jù)中國稀土行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2018年全球釹鐵硼材料毛坯產(chǎn)量18.5萬噸，中國產(chǎn)量就有15.7萬噸;2019年我國燒結(jié)釹鐵硼毛坯產(chǎn)量約17萬噸，同比增長9.7%。4月29日，工信部原材料工業(yè)司發(fā)布的公告顯示，2022年一季度我國燒結(jié)釹鐵硼毛坯產(chǎn)量6.85萬噸，同比增長30%。
隨著國家對節(jié)能降耗的不斷重視，釹鐵硼在節(jié)能變頻空調(diào)、節(jié)能電梯和機(jī)器人及智能制造領(lǐng)域的滲透率不斷提高，帶動其對高性能釹鐵硼永磁材料的需求穩(wěn)步增長。不過釹鐵硼也有高低之分，低端釹鐵硼大多用于磁吸附、電動自行車等領(lǐng)域，而高端釹鐵硼才會出現(xiàn)在汽車、風(fēng)電，以及高端電器和電子產(chǎn)品當(dāng)中。
據(jù)統(tǒng)計，高性能的釹鐵硼有大約一半被用到了汽車行業(yè)，其中的三分之二又被用到了傳統(tǒng)燃油車的EPS電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。隨著新能源汽車的占比越來越大，需要的電機(jī)數(shù)量將會越來越多，對于釹鐵硼的需求也會水漲船高。
釹礦大國不是專利大國，卡脖子是互相的
上個世紀(jì)末，釹鐵硼產(chǎn)業(yè)還是日本和歐美的天下，但如今中國擁有全球最完整的稀土產(chǎn)業(yè)鏈，憑借稀土資源優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，全球燒結(jié)釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)格局已發(fā)生重大調(diào)整，海外較大的燒結(jié)釹鐵硼企業(yè)僅存信越化學(xué)、日立金屬、TDK以及德國的VAC等幾家，四家合計產(chǎn)量占全球的10%-12%，而中國占據(jù)全球85%左右的市場份額。
日歐廠商被邊緣化的主要原因是，日本和德國本土都缺乏稀土礦，但在高端技術(shù)上，他們?nèi)允切袠I(yè)的壟斷者。我國釹鐵硼的發(fā)展分為 3 個階段：1983-1996 年主要跟蹤國外技術(shù)發(fā)展，1996-2005 年解決了規(guī)模生產(chǎn)問題開始工業(yè)量產(chǎn)，2005 年至今致力于解決高性能磁體磁性調(diào)控、稀土平衡利用和材料服役性問題。
據(jù)資料顯示，日立金屬公司系全球最大的生產(chǎn)、銷售燒結(jié)釹鐵硼企業(yè)。通過并購和自行研發(fā)，日立金屬獲取了眾多燒結(jié)釹鐵硼的專利，在全球保有 600 多項，幾乎壟斷了從釹鐵硼成分到燒結(jié)釹鐵硼生產(chǎn)全流程的所有專利。目前國內(nèi)經(jīng)日立金屬授權(quán)使用專利的企業(yè)就有八家，包括上述中科三環(huán)、正海磁材和寧波韻升三家，以及安泰科技、北京京磁、北京銀納、寧波金雞和安徽大地熊。
2012 年 8 月，日本日立金屬及其在美國建立的燒結(jié)釹鐵硼磁體工廠日立金屬北卡羅來納公司，曾向美國國際貿(mào)易委員會 (ITC) 申請對包括中國 4 家釹鐵硼企業(yè)(正海磁材、寧波金雞、安徽大地熊、香港創(chuàng)科)在內(nèi)的全球 29 家企業(yè)發(fā)起“337 調(diào)查”。
事件的結(jié)局是正海磁材、寧波金雞和安徽大地熊通過應(yīng)訴，與日立金屬達(dá)成和解，獲得了日本專利授權(quán)。
未獲日立金屬專利授權(quán)的企業(yè)產(chǎn)品無法出口美國市場，連帶歐洲市場受到出口限制。如果中國大部分的釹鐵硼企業(yè)被日立金屬的專利權(quán)“封殺”，企業(yè)也將面臨生存權(quán)和市場份額銳減的嚴(yán)峻考驗。
這次事件后，中國7家稀土企業(yè)成立“稀土永磁產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，經(jīng)過一年多的分析和審核，“聯(lián)盟”發(fā)現(xiàn)日立金屬的美國 100 多項專利并不能全部站住腳，因為中國釹鐵硼走的工藝路線跟日立金屬是不一樣的。
2013年8月，“聯(lián)盟”赴美國專利局起訴日立金屬，訴其燒結(jié)釹鐵硼專利工藝專利中三個核心專利無效;在國內(nèi)，聯(lián)盟中的4家寧波企業(yè)訴日立金屬濫用市場支配地位。2014年12月11日，寧波市中級人民法院受理了該案。
該案件在2016年以“聯(lián)盟”的勝訴告終，感興趣的朋友可以搜一搜。華寶證券認(rèn)為，在這之前，國內(nèi)大部分釹鐵硼永磁生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模較小，研發(fā)能力較弱，產(chǎn)品以中低端產(chǎn)品為主，競爭力不強(qiáng);但之后通過對國際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收和自主研發(fā)，逐步掌握了生產(chǎn)中高端釹鐵硼的核心技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平，逐步在國內(nèi)市場占據(jù)了主導(dǎo)地位。
即便如此，受到專利的影響，大部分國內(nèi)釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)企業(yè)仍無法直接向國際市場大規(guī)模出口產(chǎn)品，下游客戶特別是知名企業(yè)出于法律風(fēng)險的考慮，亦不愿冒險采用無專利授權(quán)的釹鐵硼磁體及其組件。
特斯拉也開始用永磁電機(jī)，但車廠們?nèi)灾铝p少稀土依賴
目前市面上僅有特斯拉等少數(shù)企業(yè)還在采用交流異步電機(jī)，在其前后雙電機(jī)車型中，前面的電機(jī)用的就是交流異步。在特斯拉獲得早期成功的時候，交流異步電機(jī)作為電動系統(tǒng)的重要模塊，被認(rèn)為是其競爭力的關(guān)鍵要素之一。(EETC編按：科學(xué)家特斯拉也是交流異步電機(jī)的發(fā)明人，特斯拉采用這項技術(shù)或多或少有些情懷在里面)
值得一提的是，2018年開始，特斯拉也有部分產(chǎn)品改用永磁同步電機(jī)，其中包括商業(yè)化主力產(chǎn)品Model 3 長續(xù)航版(Long Range)車型。
Model 3 長續(xù)航版的 EPA 報告截圖，Highlight部分為永磁同步電機(jī)
這個改變也早現(xiàn)端倪，中科三環(huán)在2016年10月就秘密與特斯拉簽訂了一份為期三年的合同，合同標(biāo)的就是永磁電機(jī)的關(guān)鍵材料——釹鐵硼磁體。金力永磁也在2020年9月和特斯拉公司簽署了零部件采購協(xié)議，供應(yīng)釹鐵硼磁體。
采用永磁同步電機(jī)的車廠目前占絕大多數(shù)，代表有寶馬、比亞迪等。從兩種電機(jī)對比來看，稀土永磁優(yōu)勢十分明顯，是行業(yè)發(fā)展的趨勢，廣發(fā)證券分析師認(rèn)為，這種優(yōu)勢可能使得一些采用交流異步電機(jī)的新能源汽車企業(yè)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)向采用永磁同步電機(jī)。
實際上，特斯拉已經(jīng)是最后一家轉(zhuǎn)用永磁電機(jī)技術(shù)的新能源車大廠了，《電子工程專輯》認(rèn)為隨著特斯拉上海廠成為其最大的全球出口樞紐，以及供應(yīng)鏈的逐漸國產(chǎn)化，特斯拉不采用永磁電機(jī)的執(zhí)念會進(jìn)一步放開，這是也對中國市場的示好。
但Yole認(rèn)為，永磁同步電機(jī)對于歐美企業(yè)有一個最大的風(fēng)險，就是制造磁體使用的稀土材料絕大部分來自中國，其冶煉加工地主要在中國。磁鐵可占永磁同步電機(jī)總成本的 40%。如果發(fā)生以下情況之一，使用永磁同步電機(jī)的汽車制造商可能會遭受磁鐵短缺或成本波動的嚴(yán)重影響：
中國政府限制稀土材料出口以滿足當(dāng)?shù)匦枨蟆?/p>
美國和歐洲政府對中國實施商業(yè)制裁。
考慮到上面各種情況，為避免被“卡脖子”，可能是特斯拉在其他所有車型——Model X和Model 3標(biāo)準(zhǔn)版繼續(xù)采用交流異步電機(jī)，并且努力提高其功率密度的原因。像特斯拉的交流異步電機(jī)相比其他家的鋁轉(zhuǎn)子，采用了銅轉(zhuǎn)子并擁有專利技術(shù)，讓交流異步電機(jī)也能做到體積小功率高。
美國能源局官網(wǎng)的一份研究報告也談到了這個問題，特斯拉一開始沒有選擇永磁電機(jī)路線，最主要的原因是對中國供應(yīng)鏈不穩(wěn)定的顧慮，這一點佐證了工程師們的說法。
Yole 分析師預(yù)計，非中國汽車制造商將通過開發(fā)新技術(shù)或改進(jìn)現(xiàn)有的無磁技術(shù)，來減少對稀土材料的依賴。
如上圖所示，汽車制造商主要使用牽引電機(jī)的三種商業(yè)模式之一：
內(nèi)部制造，如比亞迪、特斯拉、寶馬等;
外包，如福特、吉利、三菱、馬自達(dá)等;
結(jié)合內(nèi)部制造和外包的混合商業(yè)模式，如豐田、本田、奧迪、現(xiàn)代等。
牽引電機(jī)是動力傳動系統(tǒng)的一部分。整合所有動力總成元素也有明確的趨勢，汽車制造商采用整體方法，將動力總成視為一個單一的項目。這種整體方法徹底重塑了電機(jī)供應(yīng)鏈：
汽車制造商有單一的動力總成供應(yīng)商或在內(nèi)部制造他們的動力總成。
電機(jī)和逆變器制造商通過收購其他公司或投資為客戶提供完整的解決方案來提高他們的能力。
牽引電機(jī)市場由三大汽車制造商領(lǐng)導(dǎo)：特斯拉、比亞迪和大眾，包括Nidec和Vitesco在內(nèi)的行業(yè)領(lǐng)先Tier1供應(yīng)商也在這一市場積極拓展。
據(jù)路透社報道，為了減少對永磁體的依賴，大眾汽車正在使用稀土含量更低的永磁體電機(jī)，只含鋱和鏑;戴姆勒和寶馬同樣計劃減少對稀土永磁體的使用，甚至重新設(shè)計完全不含稀土元素的電機(jī);日產(chǎn)、豐田也都曾有過嘗試。
2011年，豐田在其小型混動車FREED上搭載了不含重稀土元素的永磁體電機(jī);2018年豐田又研制出釹用量減少了20%以上的電機(jī)，用價格更低的稀土鑭及鈰來代替部分的釹。該公司計劃10年內(nèi)在電動汽車上使用該磁石，不過這些技術(shù)基本用在了混動車型上。
寫在最后
有專家估計，目前全球電機(jī)市場中，稀土永磁電機(jī)的滲透率僅為3-5%，潛在空間很大。即便如此，特斯拉仍舊對交流異步電機(jī)“念念不忘”，很大程度是因為永磁電機(jī)的關(guān)鍵材料不在美國手里。
稀土是工業(yè)味精，是很多工業(yè)供應(yīng)鏈的上游。除了電機(jī)，稀土元素也是生產(chǎn)半導(dǎo)體、鋰電池的關(guān)鍵材料，對國防和可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要，屬于戰(zhàn)略礦產(chǎn)。
中國的稀土儲量占到了全球稀土儲量的三成以上，根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局2019年的一項研究，在美國列為關(guān)鍵的35種礦物中，中國是13種礦物的最大供應(yīng)國，同時也是歐盟21種主要礦物的最大來源地，比如用于電池的銻。
雖然拜登政府致力于減少美國對中國的鋰、稀土、鈷和其它關(guān)鍵礦物的依賴，并強(qiáng)調(diào)“美國制造”是令美國擺脫對從其他國家獲取關(guān)鍵必需品的依賴的一種途徑。美國國防部還為“山口礦業(yè)”(MP Materials)運營的重稀土元素分離設(shè)施提供的3,500萬美元補(bǔ)貼，山口礦業(yè)是美國加州山口(Mountain Pass，又稱芒廷帕斯)稀土礦的所有者，其部分股權(quán)屬于一家中國公司盛和資源(Shenghe Resources)。
但美國福克斯財經(jīng)網(wǎng)的報道則提出了質(zhì)疑，他們以稀土為例指出，中國坐擁全球幾乎所有稀土加工中心，即便白宮落實給山口礦業(yè)的補(bǔ)貼，也無法把全部加工流程留在國內(nèi)，很難如愿完全排除中國。
可以說我國雖然在釹礦產(chǎn)量上占絕對優(yōu)勢，卡住了全球永磁電機(jī)的脖子，但要形成能出口的高端釹鐵硼永磁材料，也被日本的工藝專利卡著脖子。考慮到日本、美國和中國之間當(dāng)前關(guān)系，三方是一個互相制衡的狀態(tài)，中國企業(yè)只有在高端工藝上加強(qiáng)自主研發(fā)，才能說把握了全球永磁電機(jī)，乃至新能源汽車行業(yè)的命脈。