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中国稀土卡住永磁电机脖子,国外大厂试图摆脱“钕”依赖

时间:2022-05-11 09:49:27 作者:刘于苇 阅读:
稀土永磁电机是70年代初期才出现的一种永磁电机,具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点,目前大部分汽车企业都在采用。其内部关键材料是钕铁硼磁铁,钕元素属于稀土,中国占据了绝大部分产能,有分析认为中国能够以此卡住全球永磁电机,乃至新能源汽车行业的脖子。事实真的如此吗?
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如今,电力电子的主要驱动力之一是汽车电气化,而其中电机又是动力总成的关键部分,电机的任何变化都会影响动力总成其他部件的特性,例如电池和逆变器。半导体咨询机构Yole Développement 在《Motors for Automotive 2022》报告中预计,到2027年,伴随着重大技术的创新和供应链重组,全球电机市场将超过130亿美元。

Yole 电力电子技术与市场分析师 Abdoulaye Ly表示:“目前有四种技术用于全电动汽车的牵引电机。分别是永磁同步电机(PMSM)、永磁辅助同步磁阻电机(PMaSynRM)、感应电机(IM) 和 电励磁同步电机(EESM)。如今,PMSM 技术在电动汽车(EV) 行业中得到广泛应用。在 Yole,我们预计它在未来几年仍将是主要技术,这要归功于它的高功率密度和效率。中国是最大的电动汽车市场,几乎所有中国汽车制造商都使用 PMSM。”

永磁同步电机 vs 交流异步电机

稀土永磁电机是70年代初期才出现的一种永磁电机,由于稀土永磁体的高磁能积(BHmax)和高矫顽力(特别是高内禀矫顽力Hcj),使得稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点,与电力电子技术和微机控制技术相结合,曾使电机及传动系统的性能提高到了一个崭新的水平,侧面也提高了所配套的技术装备的性能和水平,是电机行业调整产业结构的重要发展方向。

稀土永磁电机包括永磁同步电机、永磁发电机、直流电机、无刷直流电机、交流永磁伺服电机、永磁直线电机、特种永磁电机及相关的控制系统,几乎覆盖了整个电机行业。

稀土永磁电机与传统同步电动机相比,用稀土永磁材料替代了传统电机的电励磁场。它既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能,又可以制成能满足特定运行要求的特种电机,如电梯曳引电机、汽车专用电机等。

永磁同步电机

原理上,永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后,以磁钢的固有磁场作为励磁源,形成固定磁极,不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场。当电机的三相定子绕组通入三相交流电后,每120°(下图绿蓝红线圈)就会制造一个吸引转子永磁体的磁场,根据磁极同性相斥异性相吸的原理,定子旋转磁场带动转子磁极旋转,最终达到转子旋转速度与定子磁场旋转速度相等。正常工作时,转子与定子磁场同步运行,转子中无感应电流,不存在转子电阻损耗,启动时可提高电机效率40%左右。

直流永磁同步电机工作原理

作为对比,交流异步电机(感应电机)在工作时,转子绕组要从电池吸收部分电能励磁,消耗了电能,这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉,该损耗约占电机总损耗的20~30%,它降低了电机的使用效率。而且重量偏大,11kW的异步电机重最为110kg,而永磁电机仅为48kg,相当于交流异步电机重量的43.6%。

交流异步电机

稀土永磁电机的优点具体如下:

(1)效率高 :异步电动机效率曲线一般在 60%额定负载以下时下跌较快,轻载时效率很低。稀土永磁电动机效率曲线高而平,在 20%~120% 额定负载时均处于高效率区。

(2)功率因数高 :稀土永磁同步电动机的功率因数实测值已接近极限值 1.0,功率因数曲线和效率曲线一样高而平,功率因数高,不需要低压无功补偿,充分利用配电系统容量

(3)定子电流小 : 转子无励磁电流,无功功率降低,定子电流明显下降,与同等容量异步电动机相比,定子电流值可下降 30%~50%。同时,因定子电流大幅降低,电机温升下降,轴承润滑脂及轴承寿命延长。

(4)高失步转矩和牵入转矩 : 稀土永磁同步电机有较高的失步转矩和牵入转矩,使电动机具有较高的负载能力,并可以顺利牵入同步。

不过这类电机的缺点也很明确,就是:

(1)成本高 :与同规格异步电机相比,定、转子间气隙更小,各部件加工精度高 ;转子结构更加复杂,稀土磁钢材料价格高 ;总体下来电机制造成本高。

(2)全压启动时冲击大 :全压启动时,能在极短的时间牵入同步转速,机械冲击大,启动电流是额定电流的 10 倍以上,对供电系统的冲击大,要求供电系统的容量大。

(3)稀土磁钢易退磁 :永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降,或发生退磁现象,降低永磁电动机的性能。 

“万磁王”——钕铁硼磁铁

永磁材料主要分为金属合金永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料,其中稀土材料又分为钐钴永磁材料和钕铁硼永磁材料,稀土永磁材料是金属系和铁氧体系之后开发成功的第三代永磁材料。

这里“价格高”的永磁材料主要是钕铁硼磁铁(NdFeB magnet),是由(Nd2Fe14B)形成的四方晶系晶体,所以永磁同步电机也被称为“钕永磁电机”。1982年,日本住友特殊金属的佐川真人(Masato Sagawa)发现磁铁,磁能积大于钐钴磁铁,是全世界已发现磁能积最大的物质,有“万磁王”之称。

实验显示,两块巴掌大的钕铁硼磁铁,相吸的时候能轻松把放置在中间的苹果手表压得粉碎

钕元素属于稀土,中国是全球稀土储量大国,也是全球稀土出口量最大的国家,据估计有4400万吨的稀土储量,同时也是全球稀土磁材制造中心。中科三环是国内钕铁硼龙头企业,也是全球第二大钕铁硼制造商,产品中约55%左右用于汽车电机(包含新能源汽车驱动电机)。此外,中国还有宁波韵升、正海磁材、金力永磁、英洛华等稀土永磁主要生产企业。

在供需端,近年来,受新能源汽车、电子产业、风电产业等下游企业快速发展的影响,稀土的需求量有较大幅度增长。智研咨询发布的数据显示,2020-2022年,全球新能源汽车高性能钕铁硼需求量分别达到1.67万吨、2.34万吨、3.09万吨,增速分别为46%、40%、42%。

根据中国稀土行业协会数据,2018年全球钕铁硼材料毛坯产量18.5万吨,中国产量就有15.7万吨;2019年我国烧结钕铁硼毛坯产量约17万吨,同比增长9.7%。4月29日,工信部原材料工业司发布的公告显示,2022年一季度我国烧结钕铁硼毛坯产量6.85万吨,同比增长30%。

随着国家对节能降耗的不断重视,钕铁硼在节能变频空调、节能电梯和机器人及智能制造领域的渗透率不断提高,带动其对高性能钕铁硼永磁材料的需求稳步增长。不过钕铁硼也有高低之分,低端钕铁硼大多用于磁吸附、电动自行车等领域,而高端钕铁硼才会出现在汽车、风电,以及高端电器和电子产品当中。

据统计,高性能的钕铁硼有大约一半被用到了汽车行业,其中的三分之二又被用到了传统燃油车的EPS电子转向系统中。随着新能源汽车的占比越来越大,需要的电机数量将会越来越多,对于钕铁硼的需求也会水涨船高。

钕矿大国不是专利大国,卡脖子是互相的

上个世纪末,钕铁硼产业还是日本和欧美的天下,但如今中国拥有全球最完整的稀土产业链,凭借稀土资源优势和成本优势,全球烧结钕铁硼永磁材料产业格局已发生重大调整,海外较大的烧结钕铁硼企业仅存信越化学、日立金属、TDK以及德国的VAC等几家,四家合计产量占全球的10%-12%,而中国占据全球85%左右的市场份额。

日欧厂商被边缘化的主要原因是,日本和德国本土都缺乏稀土矿,但在高端技术上,他们仍是行业的垄断者。我国钕铁硼的发展分为 3 个阶段:1983-1996 年主要跟踪国外技术发展,1996-2005 年解决了规模生产问题开始工业量产,2005 年至今致力于解决高性能磁体磁性调控、稀土平衡利用和材料服役性问题。

据资料显示,日立金属公司系全球最大的生产、销售烧结钕铁硼企业。通过并购和自行研发,日立金属获取了众多烧结钕铁硼的专利,在全球保有 600 多项,几乎垄断了从钕铁硼成分到烧结钕铁硼生产全流程的所有专利。目前国内经日立金属授权使用专利的企业就有八家,包括上述中科三环、正海磁材和宁波韵升三家,以及安泰科技、北京京磁、北京银纳、宁波金鸡和安徽大地熊。

2012 年 8 月,日本日立金属及其在美国建立的烧结钕铁硼磁体工厂日立金属北卡罗来纳公司,曾向美国国际贸易委员会 (ITC) 申请对包括中国 4 家钕铁硼企业(正海磁材、宁波金鸡、安徽大地熊、香港创科)在内的全球 29 家企业发起“337 调查”。

事件的结局是正海磁材、宁波金鸡和安徽大地熊通过应诉,与日立金属达成和解,获得了日本专利授权。

未获日立金属专利授权的企业产品无法出口美国市场,连带欧洲市场受到出口限制。如果中国大部分的钕铁硼企业被日立金属的专利权“封杀”,企业也将面临生存权和市场份额锐减的严峻考验。

这次事件后,中国7家稀土企业成立“稀土永磁产业技术创新战略联盟”,经过一年多的分析和审核,“联盟”发现日立金属的美国 100 多项专利并不能全部站住脚,因为中国钕铁硼走的工艺路线跟日立金属是不一样的。

2013年8月,“联盟”赴美国专利局起诉日立金属,诉其烧结钕铁硼专利工艺专利中三个核心专利无效;在国内,联盟中的4家宁波企业诉日立金属滥用市场支配地位。2014年12月11日,宁波市中级人民法院受理了该案。

该案件在2016年以“联盟”的胜诉告终,感兴趣的朋友可以搜一搜。华宝证券认为,在这之前,国内大部分钕铁硼永磁生产企业规模较小,研发能力较弱,产品以中低端产品为主,竞争力不强;但之后通过对国际先进技术的引进、消化、吸收和自主研发,逐步掌握了生产中高端钕铁硼的核心技术,产品质量达到国际先进水平,逐步在国内市场占据了主导地位。

即便如此,受到专利的影响,大部分国内钕铁硼永磁材料生产企业仍无法直接向国际市场大规模出口产品,下游客户特别是知名企业出于法律风险的考虑,亦不愿冒险采用无专利授权的钕铁硼磁体及其组件。

特斯拉也开始用永磁电机,但车厂们仍致力减少稀土依赖

目前市面上仅有特斯拉等少数企业还在采用交流异步电机,在其前后双电机车型中,前面的电机用的就是交流异步。在特斯拉获得早期成功的时候,交流异步电机作为电动系统的重要模块,被认为是其竞争力的关键要素之一。EETC编按:科学家特斯拉也是交流异步电机的发明人,特斯拉采用这项技术或多或少有些情怀在里面)

值得一提的是,2018年开始,特斯拉也有部分产品改用永磁同步电机,其中包括商业化主力产品Model 3 长续航版(Long Range)车型。

Model 3 长续航版的 EPA 报告截图,Highlight部分为永磁同步电机

这个改变也早现端倪,中科三环在2016年10月就秘密与特斯拉签订了一份为期三年的合同,合同标的就是永磁电机的关键材料——钕铁硼磁体。金力永磁也在2020年9月和特斯拉公司签署了零部件采购协议,供应钕铁硼磁体。

采用永磁同步电机的车厂目前占绝大多数,代表有宝马、比亚迪等。从两种电机对比来看,稀土永磁优势十分明显,是行业发展的趋势,广发证券分析师认为,这种优势可能使得一些采用交流异步电机的新能源汽车企业,进一步转向采用永磁同步电机。

实际上,特斯拉已经是最后一家转用永磁电机技术的新能源车大厂了,《电子工程专辑》认为随着特斯拉上海厂成为其最大的全球出口枢纽,以及供应链的逐渐国产化,特斯拉不采用永磁电机的执念会进一步放开,这是也对中国市场的示好。

但Yole认为,永磁同步电机对于欧美企业有一个最大的风险,就是制造磁体使用的稀土材料绝大部分来自中国,其冶炼加工地主要在中国。磁铁可占永磁同步电机总成本的 40%。如果发生以下情况之一,使用永磁同步电机的汽车制造商可能会遭受磁铁短缺或成本波动的严重影响:

• 中国政府限制稀土材料出口以满足当地需求。

• 美国和欧洲政府对中国实施商业制裁。

考虑到上面各种情况,为避免被“卡脖子”,可能是特斯拉在其他所有车型——Model X和Model 3标准版继续采用交流异步电机,并且努力提高其功率密度的原因。像特斯拉的交流异步电机相比其他家的铝转子,采用了铜转子并拥有专利技术,让交流异步电机也能做到体积小功率高。

美国能源局官网的一份研究报告也谈到了这个问题,特斯拉一开始没有选择永磁电机路线,最主要的原因是对中国供应链不稳定的顾虑,这一点佐证了工程师们的说法。

Yole 分析师预计,非中国汽车制造商将通过开发新技术或改进现有的无磁技术,来减少对稀土材料的依赖。

如上图所示,汽车制造商主要使用牵引电机的三种商业模式之一:

  • 内部制造,如比亚迪、特斯拉、宝马等;
  • 外包,如福特、吉利、三菱、马自达等;
  • 结合内部制造和外包的混合商业模式,如丰田、本田、奥迪、现代等。

牵引电机是动力传动系统的一部分。整合所有动力总成元素也有明确的趋势,汽车制造商采用整体方法,将动力总成视为一个单一的项目。这种整体方法彻底重塑了电机供应链:

• 汽车制造商有单一的动力总成供应商或在内部制造他们的动力总成。

• 电机和逆变器制造商通过收购其他公司或投资为客户提供完整的解决方案来提高他们的能力。

牵引电机市场由三大汽车制造商领导:特斯拉、比亚迪和大众,包括Nidec和Vitesco在内的行业领先Tier1供应商也在这一市场积极拓展。

据路透社报道,为了减少对永磁体的依赖,大众汽车正在使用稀土含量更低的永磁体电机,只含铽和镝;戴姆勒和宝马同样计划减少对稀土永磁体的使用,甚至重新设计完全不含稀土元素的电机;日产、丰田也都曾有过尝试。

2011年,丰田在其小型混动车FREED上搭载了不含重稀土元素的永磁体电机;2018年丰田又研制出钕用量减少了20%以上的电机,用价格更低的稀土镧及铈来代替部分的钕。该公司计划10年内在电动汽车上使用该磁石,不过这些技术基本用在了混动车型上。

写在最后

有专家估计,目前全球电机市场中,稀土永磁电机的渗透率仅为3-5%,潜在空间很大。即便如此,特斯拉仍旧对交流异步电机“念念不忘”,很大程度是因为永磁电机的关键材料不在美国手里。

稀土是工业味精,是很多工业供应链的上游。除了电机,稀土元素也是生产半导体、锂电池的关键材料,对国防和可持续性发展至关重要,属于战略矿产。

中国的稀土储量占到了全球稀土储量的三成以上,根据中国地质调查局2019年的一项研究,在美国列为关键的35种矿物中,中国是13种矿物的最大供应国,同时也是欧盟21种主要矿物的最大来源地,比如用于电池的锑。

虽然拜登政府致力于减少美国对中国的锂、稀土、钴和其它关键矿物的依赖,并强调“美国制造”是令美国摆脱对从其他国家获取关键必需品的依赖的一种途径。美国国防部还为“山口矿业”(MP Materials)运营的重稀土元素分离设施提供的3,500万美元补贴,山口矿业是美国加州山口(Mountain Pass,又称芒廷帕斯)稀土矿的所有者,其部分股权属于一家中国公司盛和资源(Shenghe Resources)。

但美国福克斯财经网的报道则提出了质疑,他们以稀土为例指出,中国坐拥全球几乎所有稀土加工中心,即便白宫落实给山口矿业的补贴,也无法把全部加工流程留在国内,很难如愿完全排除中国。

可以说我国虽然在钕矿产量上占绝对优势,卡住了全球永磁电机的脖子,但要形成能出口的高端钕铁硼永磁材料,也被日本的工艺专利卡着脖子。考虑到日本、美国和中国之间当前关系,三方是一个互相制衡的状态,中国企业只有在高端工艺上加强自主研发,才能说把握了全球永磁电机,乃至新能源汽车行业的命脉。

6月17日,Aspencore将在深圳南山科兴科学园国际会议中心举办“电机驱动与控制论坛”,来自国内外一线原厂、测试测量方案商以及代理商将带来关于电机技术的精彩分享。欢迎大家点击报名参会

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电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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