「微侃」特斯拉無稀土電機(jī)技術(shù)路線大猜測

3月2日，特斯拉動力系統(tǒng)和能源工程高級副總裁德魯·巴格里諾在公司投資者日活動上表示，新能源汽車大規(guī)模推廣需要更便宜的價格，特斯拉的下一代永磁電機(jī)將完全不使用稀土材料，以降低電子設(shè)備的復(fù)雜性和成本。

電機(jī)是汽車的核心系統(tǒng)，當(dāng)前新能源汽車普遍采用的是永磁電機(jī)，具有能量密度大、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能好等特點(diǎn)。而稀土，就是永磁電機(jī)里，磁的重要組成部分。永磁電機(jī)是稀土下游最大的應(yīng)用領(lǐng)域。但并不是所有電機(jī)都需要稀土元素，它一般在直流電機(jī)中使用。交流感應(yīng)電機(jī)無需用到稀土。特斯拉未公布準(zhǔn)備用何種方式替代稀土，所以聊聊可能的方向。

特斯拉選用過的電機(jī)

特斯拉主要選用過兩款電機(jī)：交流感應(yīng)電機(jī)，和永磁同步電機(jī)。

最初在Model S和Model X中，使用的交流感應(yīng)，但從2017年，Model 3上市時采用了新的永磁直流電機(jī)，后續(xù)其他車型上也一直使用同款電機(jī)。

• 交流感應(yīng)電機(jī)

“交流感應(yīng)”是通過一部分電流，自己產(chǎn)生磁場。

受磁場影響，閉合的轉(zhuǎn)子繞組線圈中就會有電流產(chǎn)生，電流再次產(chǎn)生磁場，并與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，就可以沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來。但是，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)不會與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速同步。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是略低于同步轉(zhuǎn)速，這種電機(jī)也因此被命名為交流異步電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)主要包括線圈和轉(zhuǎn)子鐵芯，所以價格便宜，成本低，過載能力也強(qiáng)，性能彪悍，皮實(shí)耐用，但是效率差一點(diǎn)。

• 永磁同步電機(jī)

永磁指的是動磁采用的是永磁體，也就是磁鐵。定子線圈雖然也是繞組線圈結(jié)構(gòu)，但轉(zhuǎn)子卻更換為了永磁體，當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈中的電流變化產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場時，永磁轉(zhuǎn)子便會跟隨磁場一同運(yùn)動。這種勵磁方式無需像交流異步電機(jī)那樣切割磁力線，定子與轉(zhuǎn)子相互作用更加快速直接

兩者的優(yōu)缺點(diǎn)

永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)不僅在于結(jié)構(gòu)更加簡單，更重要的是體積可以做得更小，這對于重視空間布局和輕量化的電動汽車來說具有極大的優(yōu)勢。同時，定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步的先天條件讓它只需改變電流頻率即可改變轉(zhuǎn)速，調(diào)速更加簡單、直接。如果特斯拉繼續(xù)用交流感應(yīng)電機(jī)，的確不需要稀土 。但這種電機(jī)扭矩密度和功率密度低、體積又大，應(yīng)該不是特斯拉的選擇。

可能的方法是什么

取代稀土有兩大可能的方向：一是不要磁鐵了，二是把磁鐵里的稀土材料用別的材料替代。不要磁鐵這個方案比較直接，交流感應(yīng)電機(jī)里也沒有磁鐵，只有用合適的電磁轉(zhuǎn)換技術(shù)生成磁場就行。

目前已經(jīng)有兩種做法：

• 同步磁阻電機(jī)（PMaSynRM）

同步磁阻技術(shù)將永磁電動機(jī)的性能與感應(yīng)電動機(jī)的簡單易用相結(jié)合。

同步磁阻電機(jī)(SynRM)作為感應(yīng)電機(jī)的高效替代品，同步磁阻電機(jī)的核心理念是轉(zhuǎn)子沒有繞組或磁鐵，只是將電動鋼板堆疊在一起，與旋轉(zhuǎn)磁場對齊的具有氣隙的鋼轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子沒有感應(yīng)電流，因此沒有損耗。

這種電機(jī)在工業(yè)上使用剛起步，可以不用稀土。

• 外勵磁

在電機(jī)繞組里增加勵磁線圈，通過調(diào)節(jié)勵磁線圈內(nèi)的電流大小來調(diào)節(jié)電機(jī)速度。勵磁電機(jī)技術(shù)，利用額外電流通過勵磁線圈產(chǎn)生磁場，三相同交流同步電機(jī)運(yùn)行。強(qiáng)耐久和高性能電刷模塊，并結(jié)合獨(dú)特的加工技術(shù)和石墨復(fù)合材料。

目前其他車企也采用這個方法。

比如寶馬集團(tuán)自主研發(fā)的第五代BMW eDrive電驅(qū)動系統(tǒng)，已經(jīng)是量產(chǎn)的無稀土應(yīng)用。

日產(chǎn)ARIYA同樣也使用了電勵磁同步電機(jī)，將同步電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子替換成勵磁線圈，并利用電生磁的原理使勵磁線圈具備了和永磁體轉(zhuǎn)子一樣的磁性。勵磁線圈的磁力由電流大小控制，通過控制電流大小，來優(yōu)化動力的釋放。

勵磁電機(jī)可以在低速時通過降低電流，使扭矩釋放變得更加柔和，在高速區(qū)間，還可以通過加大電流、提升磁性。

這些拿掉磁鐵的方法，雖然已經(jīng)具備可行性，但由于對電機(jī)整體的設(shè)計變動很大，完全的量產(chǎn)還需要一定的時間。如果能繼續(xù)保留磁鐵的設(shè)計，這樣改動相對較小，傳統(tǒng)的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)還能得以保留。所以，所以研究稀土的替代品，也是技術(shù)人員在積極尋找的一條路

• 研究稀土的替代品

劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種制造新型磁性材料鐵-鎳（tetrataenite）的方法，這可能成為稀土永磁的替代品。這個叫Tetrataenite由50％的鐵和50％的鎳組成，鐵和鎳原子交替排列，為規(guī)則的周期性晶體結(jié)構(gòu)。它產(chǎn)生一種硬磁，即磁化方向不會輕易改變，其磁性能接近稀土磁體。

美國能源部關(guān)鍵材料研究所和艾姆斯國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，也開發(fā)出一種基于微結(jié)構(gòu)工程制造 無稀土永磁材料錳鉍（MnBi）磁體的新方法，并證明該工藝可以用于制造緊湊、節(jié)能電機(jī)。錳鉍磁體可替代由稀土元素構(gòu)成的高功率永磁體，研究人員計劃進(jìn)一步擴(kuò)大這種磁鐵的尺寸，并生產(chǎn)用于新型電動機(jī)的錳鉍磁體。

小結(jié)：

特斯拉的材料研究能力，是建立在歐美在稀土替代方面的研究之上，對這些新技術(shù)的整合?！盁o稀土”的概念，其實(shí)還是因?yàn)閲馊鄙傧⊥撂峒兒鸵睙挼哪芰?。但我們本身具備豐富的稀土的資源，地主家的孩子不缺糧。所以中國的研究人員，一直聚焦于永磁電機(jī)的開發(fā)。在新方向上的投入比較少，甚至完全不需要。所以這次特斯拉引起軒然大波，其實(shí)是兩種研究路線的大碰撞。