Không có đất hiếm và không có động cơ? Lắng nghe các nhà cung cấp trong nước giải thích chi tiết về việc giảm lượng đất hiếm trong động cơ

Tin tức ô tô Trung Quốc

Mới đây, Colin Campbell, phó chủ tịch kinh doanh hệ thống truyền động của Tesla, cho biết động cơ thế hệ tiếp theo của công ty sẽ hoàn toàn không sử dụng vật liệu đất hiếm. Thông điệp này giống như một hòn đá ném vào mặt hồ phẳng lặng, gây chấn động trong ngành. Được biết, từ năm 2017 đến năm 2022, Tesla đã thành công trong việc giảm 25% việc sử dụng đất hiếm trong mô-đun truyền động Model 3 do cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền động. Vào năm 2020, Tesla tiết lộ rằng họ đang phát triển một loại động cơ chuyển mạch từ trở nam châm vĩnh cửu (SPSRM) bề mặt không có từ tính mới, kết hợp các ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ chuyển mạch từ trở (SRM). , đồng thời tránh được nhược điểm của cả hai, có thể đạt được hiệu suất cao, mật độ công suất cao và mật độ mô-men xoắn cao mà không cần sử dụng vật liệu đất hiếm.

Tesla được mệnh danh là cánh gió của kỷ nguyên xe năng lượng mới, động cơ không dùng đất hiếm mà hãng ủng hộ là gì? Nó có thể tạo ra bao nhiêu "giật gân" trong ngành?

Không có đất hiếm không có nghĩa là không có từ tính

Trên nền tảng thực hiện con đường xanh, ít carbon và thúc đẩy phát triển điện khí hóa một cách toàn diện, pin, động cơ và bộ điều khiển điện tử đã trở thành “ba bộ phận chính mới” không thể thiếu đối với các phương tiện sử dụng năng lượng mới và động cơ đảm nhận tất cả các chức năng liên quan đến việc lái xe. .

Hiện nay, có ba loại động cơ chính được sử dụng trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới: động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ kích thích điện và động cơ không đồng bộ AC. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là sự lựa chọn chủ đạo trong ngành, nhưng do giá nguyên liệu đất hiếm cao và trữ lượng hạn chế. Trong những năm gần đây, tiếng nói được thay thế ngày càng lớn.

Người ta hiểu rằng vật liệu đất hiếm chiếm gần 20% giá thành của động cơ nam châm vĩnh cửu. Là một loại nguyên tố kim loại có tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, nó đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Có một ẩn dụ sống động trên thị trường. Nếu dầu mỏ là máu của công nghiệp thì đất hiếm là vitamin của công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu, boron sắt neodymium (NdFeB) là một trong những vật liệu nam châm vĩnh cửu được sử dụng phổ biến nhất, có sản phẩm năng lượng và từ dư cao. Và ba loại nguyên tố cấu thành đất hiếm: neodymium (Nd), praseodymium (Pr) và dysprosium (Dy), giúp ích rất nhiều trong việc cải thiện từ tính động, khả năng chịu nhiệt, kéo dài tuổi thọ và giảm tiếng ồn của động cơ. Vì vậy, mặc dù giá thành cao nhưng động cơ nam châm vĩnh cửu vẫn luôn là cấu hình chủ đạo của các phương tiện sử dụng năng lượng mới.

Tuyên bố của Tesla rằng thế hệ động cơ tiếp theo sẽ hoàn toàn không sử dụng vật liệu đất hiếm dường như đã làm lung lay vị thế của động cơ nam châm vĩnh cửu và vật liệu đất hiếm. Từ góc độ công nghệ và thị trường, chúng ta nên diễn giải xu hướng của ngành như thế nào?

Trên thực tế, Tesla không phải là công ty duy nhất đề xuất động cơ không sử dụng đất hiếm. Năm 2021, Mahle, một công ty phụ tùng ô tô của Đức, đã phát triển một loại động cơ mới không cần vật liệu đất hiếm; sau đó vào năm 2022, BMW cũng ra mắt động cơ không đất hiếm thế hệ thứ năm. Những người trong ngành tin rằng Tesla và các công ty khác đang mong muốn phát triển động cơ không sử dụng đất hiếm, không phải do sự phát triển công nghệ mà chủ yếu là do những cân nhắc về địa chính trị.

Theo thống kê, khoảng 97% nguyên liệu đất hiếm trên thế giới được cung cấp bởi Trung Quốc. Theo dữ liệu, đất hiếm là nguồn tài nguyên chiến lược quan trọng với những đặc tính độc đáo, là yếu tố then chốt không thể thiếu để chuyển đổi các ngành công nghiệp truyền thống, phát triển các ngành công nghiệp mới nổi và công nghiệp công nghệ quốc phòng. Trước đây, giá xuất khẩu đất hiếm của Trung Quốc ở mức thấp. Với việc chi phí khai thác và tinh chế nguyên liệu đất hiếm không ngừng tăng lên, việc kiểm soát xuất khẩu nguyên liệu đất hiếm ngày càng chặt chẽ hơn, và các hãng ô tô nước ngoài bắt đầu tìm lối thoát khác.

Tuy nhiên, các chuyên gia trong ngành cho rằng việc gọi động cơ là “không có từ tính” chỉ vì nó không sử dụng đất hiếm là không chính xác.Niu Mingkui, tổng giám đốccủa Chiết Giang Founder Motor Co., Ltd.(sau đây gọi là "Người sáng lập Motor"), nói với phóng viên của "Tin tức ô tô Trung Quốc" rằng nam châm vĩnh cửu đất hiếm chỉ là một cách để thiết lập từ trường chính của động cơ đồng bộ và doanh nghiệp cũng có thể sử dụng các phương pháp khác, nhưng trong bất kỳ trường hợp nào Trong trường hợp đó, phải thiết lập một từ trường để làm cho động cơ chạy nên việc đề xuất một động cơ không có từ tính là một “mánh lới quảng cáo”. Theo quan điểm của ông, kế hoạch của Tesla đã được hiểu rõ. Các phương pháp sau đây có thể được áp dụng cho động cơ không sử dụng đất hiếm: sử dụng ferit thay vì đất hiếm làm nam châm vĩnh cửu hoặc sử dụng động cơ đồng bộ kích thích bằng điện và sau đó là động cơ cảm ứng xoay chiều.

3 phỏng đoán về Tesla

Với tư cách là người đi đầu trong lĩnh vực xe điện, những động thái của Tesla đã thu hút sự chú ý của toàn ngành công nghiệp ô tô. Về động cơ Tesla thế hệ tiếp theo không sử dụng đất hiếm,Giám đốc kỹ thuật BorgWarner Huo Congchongcó ba phỏng đoán.

Đầu tiên, "không có đất hiếm" có thể ám chỉ không có đất hiếm nặng, không phải tất cả đất hiếm. Huo Congchong nói với các phóng viên: "Nói chung, đất hiếm được sử dụng trong động cơ đề cập đến đất hiếm nặng, chẳng hạn như terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), neodymium (Nd), praseodymium (Pr) và các nguyên tố khác . Các động cơ khác nhau sử dụng các nguyên tố đất hiếm nặng khác nhau do trữ lượng ít và giá thành cao. Hiện tại, các công ty đang chuyển sang sử dụng nhiều đất hiếm nhẹ hơn và giảm sử dụng đất hiếm nặng."

Thứ hai, cũng có thể thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng động cơ đồng bộ kích thích điện. Cốt lõi của động cơ kích thích điện là thay thế nam châm vĩnh cửu bằng cuộn dây kích thích điện và thay đổi cường độ từ tính bằng cách điều chỉnh dòng điện của cuộn dây để đạt được các yêu cầu về hiệu suất năng lượng khác nhau ở các tốc độ xe khác nhau. Đồng thời, cuộn dây kích thích điện có thể loại bỏ các nhược điểm của quá trình khử từ và ngừng hoạt động của nam châm vĩnh cửu ở nhiệt độ cao, và sự suy yếu của trường có thể được nhận ra bằng cách giảm dòng kích thích ở tốc độ cao và có thể nhận ra sự thay đổi tốc độ bằng cách điều khiển cường độ kích thích và độ an toàn cũng tốt hơn. Đây là những gì động cơ không nam châm thế hệ thứ năm của BMW làm được.

Điểm khác biệt lớn nhất giữa động cơ kích thích điện và động cơ nam châm vĩnh cửu là rôto. Nguyên lý trước đây là thêm cuộn dây vào rôto và sử dụng thiết bị chổi than để đưa dòng điện kích thích. Tuy nhiên, điều này lại nảy sinh một vấn đề mới, độ tin cậy và độ bền của chổi than sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất làm việc của động cơ.

Thứ ba, về nguyên tắc, phương pháp kích thích hỗn hợp cũng có thể được thực hiện. Với mục đích duy trì hiệu suất cao, loại động cơ mới này thay đổi cấu trúc cấu trúc liên kết và từ trường chính được tạo ra bởi hai nguồn kích thích để thực hiện điều chỉnh và điều khiển, đồng thời cải thiện khả năng điều chỉnh tốc độ, hiệu suất truyền động hoặc đặc tính điều chỉnh điện áp của động cơ . Nghĩa là, nam châm vĩnh cửu không sử dụng vật liệu đất hiếm mà sử dụng ferit, sau đó thêm một số kích thích điện, v.v., nhưng giải pháp này có đặc tính từ tính kém và hiệu quả công việc hạn chế. to hơn và nặng hơn.

“Tất nhiên, chúng ta vẫn không thể loại trừ khả năng Tesla đã đạt được bước đột phá lớn trong lĩnh vực vật liệu mới; nhưng nếu không, tôi nghĩ giải pháp đầu tiên trong ba giải pháp này là có khả năng xảy ra nhất”. Có những công ty Mỹ có thể phát triển giải pháp sử dụng đất hiếm nặng "không" trong động cơ. Tôi tin rằng đây không phải là một thử thách khó khăn đối với Tesla.

Tình trạng động cơ nam châm vĩnh cửu chưa bị lung lay

Trong kỷ nguyên điện khí hóa ô tô, các yêu cầu mới đã được đặt ra cho sự phát triển của pin, động cơ và bộ điều khiển điện tử. Trong tương lai, động cơ sẽ phát triển theo hướng nào? Khi thị trường theo đuổi hiệu suất sức mạnh của xe ngày càng cao hơn, hệ dẫn động bốn bánh đã trở thành cấu hình cao cấp cho nhiều loại xe hiệu suất và động cơ hai trục ngày càng được nhiều công ty ô tô áp dụng. Làm thế nào để lựa chọn giữa động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ cảm ứng?

Chen Jing, Giám đốc Bộ phận Phát triển Ô tô của Founder Motors, nói với các phóng viên rằng gần đây ông đã đạt được một kết luận nhất quán sau khi trao đổi đầy đủ với các chuyên gia trong ngành trong một cuộc thảo luận công việc: động cơ nam châm vĩnh cửu vẫn là xu hướng chủ đạo trên thị trường.

"Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi từ lâu và có lịch sử phát triển hàng chục năm. Vật liệu Ferrite lần đầu tiên được sử dụng và mật độ năng lượng chỉ bằng 1/2 đến 1/3 so với nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Vì vậy, từ khoảng năm 2000, ngành công nghiệp bắt đầu bổ sung vật liệu đất hiếm vào nam châm vĩnh cửu, giúp cải thiện đáng kể mật độ năng lượng của động cơ." Niu Mingkui nói với các phóng viên. Ông tin rằng xu hướng phát triển của sản phẩm không thể tách rời khỏi đặc tính của bản thân công nghệ. Đánh giá về hiệu suất của động cơ hiện tại, ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm là không thể so sánh với các loại động cơ khác nên nó vẫn sẽ là lựa chọn hàng đầu cho hầu hết các loại xe sử dụng năng lượng mới, đặc biệt là được sử dụng làm động cơ truyền động chính.

Điều này được hiểu rằng so với các loại động cơ khác, động cơ nam châm vĩnh cửu có từ trường riêng, không cần kích thích, không có tổn thất tương ứng, có thể cung cấp mô-men xoắn cực đại và có hiệu suất truyền động tuyệt vời; đồng thời, chúng có thể đạt được kích thước nhỏ và trọng lượng thấp, tiết kiệm đáng kể. Tuy nhiên, chúng dễ bị khử từ ở nhiệt độ cao và không thể điều chỉnh tốc độ theo thời gian thực.

Động cơ điện kích thích và động cơ cảm ứng không sử dụng vật liệu đất hiếm nên tiết kiệm chi phí nhưng cũng còn tồn tại những vấn đề tồn đọng. Cấu trúc rôto của động cơ đồng bộ kích thích điện phức tạp và có thiết bị chổi than vòng trượt, độ tin cậy kém. Chổi than cần được bảo trì và thay thế thường xuyên, chi phí bảo trì cao. Động cơ điện xoay chiều cảm ứng tạo ra từ trường cảm ứng bằng cách cắt từ trường nên lực từ có hiện tượng trễ; nhưng động cơ không đồng bộ AC cảm ứng có hiệu suất tốc độ cao tốt hơn và hiện được sử dụng phổ biến làm cấu hình kết hợp dẫn động bốn bánh. Ví dụ, Tesla Model 3 sử dụng động cơ điện xoay chiều cảm ứng kết hợp với động cơ nam châm vĩnh cửu làm động cơ trục trước của xe dẫn động bốn bánh; Mẫu của Weilai ngược lại với Model 3, sử dụng kết hợp động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bánh trước cộng với động cơ không đồng bộ AC bánh sau Chương trình kết hợp.

Về vấn đề này, Niu Mingkui giải thích: "Mặc dù động cơ cảm ứng cũng có thể đạt được hiệu suất làm việc tương tự như động cơ nam châm vĩnh cửu, nhưng nó sẽ làm tăng lượng vật liệu khác như đồng và thép silicon, đồng thời nó cũng lớn hơn, nặng hơn và chiếm nhiều không gian hơn. Vì vậy, ngành công nghiệp hiện nay hiếm khi sử dụng động cơ không đồng bộ làm động cơ truyền động chính."

Chen Xiaoyong, giám đốc sản phẩm của Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,nói thẳng với các phóng viên rằng bài phát biểu của Tesla tưởng chừng chỉ là một mánh lới quảng cáo nhưng nó không ảnh hưởng nhiều đến các hãng ô tô trong nước. "Mọi người đều đồng thuận rằng xu hướng chủ đạo của động cơ xe sử dụng năng lượng mới trong nước vẫn là động cơ nam châm vĩnh cửu, hiệu suất của động cơ kích thích điện và động cơ cảm ứng không thể so sánh được với chúng. Hàm lượng đất hiếm toàn cầu là đủ, khó có khả năng lật đổ động cơ nam châm vĩnh cửu trong thời gian ngắn'" ông nói.

Nhiều người trong ngành cũng có quan điểm tương tự. Theo quan điểm của Huo Congchong, thị trường ô tô Trung Quốc sẽ vẫn bị thống trị bởi động cơ nam châm vĩnh cửu trong ít nhất 10 năm nữa. Không có khủng hoảng chuỗi cung ứng trong lĩnh vực này và động cơ xe sử dụng năng lượng mới trong nước cũng đang có xu hướng sử dụng đất hiếm ít nặng hơn và chi phí tiếp tục giảm. , những ưu điểm ngày càng nổi bật.

Toàn bộ ngành công nghiệp ô tô đang giảm việc sử dụng đất hiếm nặng, nhưng đất hiếm sẽ không được sử dụng. Trong cuộc phỏng vấn với các phóng viên,Gong Jun, chuyên gia về trách nhiệm ô tô của nhóm chuyên gia tổng thể đặc biệt về công nghệ then chốt xe năng lượng mới quốc gia, chỉ ra rằng sản lượng khai thác của Trung Quốc là đủ nên không cần phải lo lắng.Đồng thời, với sự phát triển của quá trình xâm nhập dysprosi, ngành công nghiệp có thể giảm lượng đất hiếm nặng. Hiện tại, Tesla sẽ không từ bỏ động cơ nam châm vĩnh cửu, cùng lắm là họ sẽ xem xét làm thế nào để không sử dụng đất hiếm nặng.

“Nhiều công ty nước ngoài chỉ có thể sử dụng đất hiếm nhẹ cho động cơ, nhưng xét từ góc độ điều kiện thị trường, khách hàng trong nước không chấp nhận giải pháp đất hiếm nặng cho lắm; ngoài ra, giải pháp này sẽ gặp vấn đề về khử từ, dẫn đến hiệu suất thấp hơn. hiệu quả. Đó là một vấn đề cần được giải quyết." Huo Congchong nói với các phóng viên.

Đất hiếm không còn là điểm nghẽn

Toàn bộ ngành công nghiệp ô tô đã bắt đầu phát triển theo hướng giảm thiểu đất hiếm, đặc biệt là giảm sử dụng đất hiếm nặng. Niu Mingkui cho rằng trữ lượng và giá đất hiếm nặng và đất hiếm nhẹ rất khác nhau. Ví dụ, giá thị trường hiện tại của praseodymium và neodymium là hơn 700,{1}} nhân dân tệ/tấn, terbium cao tới hơn 20 triệu nhân dân tệ/tấn, và giá đất hiếm lanthanum và cerium thấp hơn. Hàng chục nghìn tệ/tấn. Vì vậy, ngành đã đạt được kết quả tốt trong việc thúc đẩy loại bỏ đất hiếm nặng và giảm lượng đất hiếm nhẹ, praseodymium và neodymium.

“Cũng giống như thiết kế nhẹ của ô tô trước đây, bằng cách giảm độ dày của tấm thép, giảm trọng lượng lề đường, sau đó cải tiến thiết kế kết cấu hoặc quy trình hàn, xe có độ cứng tốt hơn, không làm giảm độ an toàn mà còn đạt được hiệu quả. trọng lượng nhẹ. Định lượng. Bây giờ, ý tưởng giảm đất hiếm trong động cơ cũng vậy." Niu Mingkui giải thích thêm.

Phóng viên được biết rằng với sự tiến bộ của công nghệ, việc sử dụng vật liệu động cơ đã có những thay đổi lớn. Chen Jing nói với các phóng viên: "Khi chúng tôi lần đầu tiên sử dụng vật liệu từ tính để chế tạo nam châm, chúng tôi đã trộn và nung các nguyên tố đất hiếm và vật liệu gốc sắt, để toàn bộ vật liệu đất hiếm được phân bố đều trong nam châm. Nhưng trên thực tế, nam châm vĩnh cửu đồng bộ." động cơ Nguyên lý khử từ xác định rằng hàm lượng đất hiếm nặng trong diện tích bề mặt của thép từ tính cần phải tăng lên và hàm lượng đất hiếm nặng ở khu vực trung tâm phải thấp và phân bố không đều.Thép từ tính truyền thống áp dụng một quá trình thiêu kết thống nhất, và trên thực tế, một phần lớn vật liệu đất hiếm nặng được sử dụng. Trong quá trình này, nó không phát huy được giá trị xứng đáng của nó."

Trong những năm gần đây, do quá trình sản xuất tiến bộ, bề mặt và bên trong của thép từ tính có thể được phân chia và công nghệ khuếch tán ranh giới hạt được sử dụng để sửa chữa và tăng tính chất từ ​​​​của bề mặt nam châm. Được biết, các nhà nghiên cứu Nhật Bản lần đầu tiên đề xuất khái niệm "khuếch tán ranh giới hạt", sử dụng một quy trình đặc biệt để làm cho đất hiếm nặng chỉ khuếch tán trong ranh giới hạt chứ không vào hạt, điều này không chỉ cải thiện hiệu suất của vật liệu NdFeB mà còn giảm đáng kể Tổng lượng nguyên tố đất hiếm nặng làm giảm chi phí vật liệu. Công nghệ khuếch tán ranh giới hạt trong nước cũng phát triển nhanh chóng và gần như trở thành cấu hình tiêu chuẩn của các sản phẩm mới, giúp giảm đáng kể lượng đất hiếm nặng. Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ, thông qua kế hoạch phổ biến có mục tiêu hơn để lựa chọn thép từ tính, Founder Motor có thể giảm việc sử dụng đất hiếm nặng từ 20% đến 30% mỗi năm và cho đến nay đã giảm gần 50%. “Tuy nhiên, chưa có giải pháp rõ ràng về việc liệu việc sử dụng đất hiếm nặng có gần bằng 0 ở một mức độ nhất định hay không, bởi vì đất hiếm nặng có giá trị trong việc cải thiện tính năng của thép từ tính, chống rung, chịu nhiệt độ cao, vì vậy chúng không thể được thay thế hoàn toàn trong thời gian ngắn." Niu Mingkui nhấn mạnh.

Theo quan điểm của Gong Jun, tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực ứng dụng đất hiếm đã đạt đến mức tương đối cao và nó không còn là mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu nữa. Các công ty nước ngoài đang nghiên cứu các giải pháp không có đất hiếm hoặc không có đất hiếm nên không cần phải lo lắng về nguồn tài nguyên đất hiếm.

Trên thực tế, nhiều công ty đang phát triển công nghệ điều chế nam châm NdFeB thiêu kết có thêm lanthanum và cerium chi phí thấp để đáp ứng nhu cầu thị trường về nam châm vĩnh cửu đất hiếm có thông lượng chi phí thấp và có thể điều chỉnh được. Tinh chế hạt, khuếch tán ranh giới hạt và điều chỉnh ranh giới hạt và các công nghệ khác cũng đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt, giảm lượng terbium đất hiếm nặng và dysprosium, từ đó giảm chi phí nguyên liệu thô của sản phẩm.

"Trước đây mọi người đều rất vướng mắc. Mặc dù đất nước tôi có lợi thế về tài nguyên đất hiếm nhưng lo lắng rằng biến động giá trong sử dụng thực tế sẽ quá lớn, đồng thời việc đổi mới vật liệu và quy trình cũng bị hạn chế bởi mức giá hiếm." trái đất. Xu hướng hiện nay là giảm khối lượng động cơ. , Các doanh nghiệp sẽ tăng tốc độ động cơ, làm giảm yêu cầu về từ tính. Hiện nay, ngành này ngày càng có yêu cầu thấp hơn đối với các loại đất hiếm, và nếu tiếp tục đi xuống, lượng đất hiếm nặng cũng sẽ giảm đi”, Gong Jun nói.

Về vấn đề này, Niu Mingkui cũng phân tích nó từ ba khía cạnh: thứ nhất, trữ lượng đất hiếm toàn cầu là đủ nên không cần phải lo lắng gì cả; Thứ hai, trong điều kiện phát triển công nghệ hiện nay, việc sử dụng đất hiếm trong động cơ ít hơn trước rất nhiều và mức độ phụ thuộc vào đất hiếm Một lần nữa, điều đáng nói là với sự phát triển của ngành tái chế động cơ, đất hiếm vật liệu của động cơ thải có thể được tinh chế về mặt kỹ thuật và tái chế gần 100%, đây cũng là một nguồn đất hiếm quan trọng. “Các vật liệu đất hiếm cần thiết để sản xuất một động cơ trước đây có thể được sử dụng để sản xuất hai động cơ mới trong tương lai”. Ông nói rằng khi thị trường phương tiện năng lượng mới tiếp tục phát triển trong tương lai, việc tái chế động cơ có thể là một nguồn nguyên liệu đất hiếm quan trọng, "Đất hiếm" Dafeng "cũng dự kiến ​​​​sẽ được hiện thực hóa trước thời hạn. Vào thời điểm đó, đất hiếm vật liệu có thể đạt được sự cân bằng động hữu cơ giống như các phương tiện sử dụng năng lượng mới.