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無稀土馬達時代到來
電動車駛向永續之路

【作者: 盧傑瑞】   2023年10月21日 星期六

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無論是基於政治影響、生產成本,或保護環境的前提下,開發出不需要稀土的電動車用馬達,已經是全球電機業者卯足全力發展的一個重大方向。


電動車採用感應馬達,從20世紀的90年代到2000年代初期,實際上已經有相當長的一段時間。然而,隨著永磁同步馬達的出現,感應馬達已經逐漸不被採用。


但是,永磁同步馬達需要透過稀土元素來確保耐熱性(這是磁鐵的弱點),並且可以在小型尺寸的馬達中產出高扭力。


目前混合動力(HV)和純電動車(EV)等永磁同步馬達,幾乎都是使用釹、鏑和?等重稀土材料,這是因為透過使用稀土,可以提高馬達的耐熱性,並且獲得高驅動力和發電量。不過,因為全球電動車,以及風力發電等再生能源的普及,刺激了稀土的需求增加,也因此推動了價格飆升。


稀土限制迫使開發新一代車用馬達

由於2010年釣魚台列嶼發生中國與日本漁船相撞事故的風波影響,對此中國政府針對日本限制稀土出口。近期再加上中美摩擦,導致中國又宣布限制稀土出口到美國,且由於與美國的貿易局勢持續緊張,中國對於稀土的輸出可能會再次受到限制,這一點已在接下來的出貨量得到了證實(圖一)。



圖一 : :愛沙尼亞的Silmet工廠,一名工人展示分離過程中的稀土氧化物。(source:AXION)
圖一 : :愛沙尼亞的Silmet工廠,一名工人展示分離過程中的稀土氧化物。(source:AXION)

這迫使了美日歐等車廠紛紛改變電動車馬達開發策略,朝向減少使用稀土材料,甚至完全不使用稀土的技術轉變。美國政府更是從政策面著手,透過反通膨法案的規範,要求美國車廠對於電動車整車組裝的零組件,以及礦物原料都必須要從北美當地提供,如果車上的磁鐵大量使用中國來的礦物,就無法獲得補助。日本政府也調整政策,致力於減少稀土使用量以降低風險,或協助業者分散稀土來源。


這樣的演變,使得BMW、豐田和通用汽車等其他汽車製造商,也開始呼籲減少對稀土的依賴。


特斯拉以發展無稀土永磁馬達為目標

特斯拉在2023年3月宣布將推出一款全新永磁馬達(PMSM),完全不使用稀土元素,背後的考量應該和美國政府的補助息息相關。


其實特斯拉最早使用的馬達,並沒有使用稀土,因為他們一開始採用的是交流電馬達。但為了降低成本,在後續所開發的車型,開始使用永磁直流馬達來驅動後輪,並透過在馬達轉子中放置永久磁鐵,傳動軸無需感應電流即可旋轉。


在降低對稀土的依賴方面,根據動力總成工程副總裁Colin Campbell表示,目前Model 3和Model Y已經將稀土消耗量減少了四分之一。


Campbell在這次宣布特斯拉將不再使用稀土元素的演講中,展示了2張關於三種「神秘材料」關鍵性投影片,稀土1、稀土2和稀土3。第一張投影片展示了目前的特斯拉,馬達中使用的稀土總量從500克到10克不等(圖二);下一張投影片是未來技術的目標數據,一切都設定為「0」(圖三)。



圖二 : :目前特斯拉馬達中,使用的稀土總量從500克到10克不等。(source:TESLA)
圖二 : :目前特斯拉馬達中,使用的稀土總量從500克到10克不等。(source:TESLA)

圖三 : :特斯拉新一代馬達技術的研發目標數據,稀土的使用量都設定為「0」。(source:TESLA)
圖三 : :特斯拉新一代馬達技術的研發目標數據,稀土的使用量都設定為「0」。(source:TESLA)

從磁性材料研究人員的角度來看,這個「稀土1」是什麼就一目了然了。它就是釹,與鐵和硼結合時可以產生強大的永久磁場。但以目前來說,幾乎沒有其他物質具有這種特性,能夠產生足以提供2000公斤的特斯拉汽車、工業機器人和戰鬥機等提供動力。如果特斯拉的馬達中不再使用釹等稀土元素的話,那麼他們會使用哪種磁鐵來代替?便成了現場最大的黑箱技術。


產業界已經有專家朝向猜測利用鈷或是鐵氧體等其他化學元素來取代釹,其中被認為最有可能的是鐵氧體。鐵氧體是一種將鐵和氧與少量金屬(例如鍶)混合製成的陶瓷。它價格便宜且易於生產,自20世紀以來,它已被用於各種情況,包括用作保持冰箱門關閉的磁鐵材料。


另一方面,根據國外的媒體報導,因為鐵氧體的磁力只有同量的釹的十分之一左右,這就產生了磁力不足的新問題。但由於特斯拉的老闆Elon Musk是出了名的不妥協,因此如果特斯拉堅持要使用鐵氧體的話,就必須在某個地方做出妥協。


日本大發汽車改變繞線技術開發新車用馬達

相對於特斯拉的馬達材料選擇策略改變,日本大發汽車企圖跳出永磁馬達的競爭圈,透過旗下的METALART和Yamada Power Unit展開合作,開發了一種無需永久磁鐵的同步磁阻馬達(SynRM)。Yamada Power Unit的核心技術是開發無人機和電動車動力裝置。而Metal Art的業務是以製造引擎和變速箱零件為主。


就如前述,目前電動車的永久磁同步馬達,是使用稀土元素作為磁鐵主原料,而日益上漲的價格已經是永久磁同步馬達擴大市場的一個障礙。儘管這款SynRM實際量產的時間尚未確定,但目標是創建低成本、高效製造的SynRM馬達。


SynRM的想法透過定子磁力與馬達旋轉部分鐵芯磁阻差異,產生的磁極之間的相互作用產生扭矩(旋轉力)。由於它僅採用鐵芯和銅的材料來組成,因此可以降低成本、提高製造高效率。



圖四 : :同步磁阻馬達(SynRM)與永久磁石同步馬達的結構差異。(source:METALART)
圖四 : :同步磁阻馬達(SynRM)與永久磁石同步馬達的結構差異。(source:METALART)

因此METALART和Yamada Power Unit透過最佳化設計作業,對超過10萬個設計外型進行了形狀模擬,大幅度地提高了SynRM的產量和效率。此外還改變繞線方法,不僅達到縮小產品尺寸的目標,還可以減少約10%的銅用量。


目前METALART和Yamada Power Unit主要開發的目標是,縮小SynRM的尺寸,同時還降低大量生產的成本,並從電動四輪驅動應用開始商業化。因為許多大公司已經進入電動車驅動系統,市場的競爭非常劇烈。因此在初期希望避開此一紅海戰場,轉向專注於小型四輪驅動的後驅車這一利基市場。


日產X-in-1總成技術降低稀土使用比例

同樣是日系車廠的日產,在2023年3月宣布將採用名為「X-in-1」的全新動力總成技術,到2026年將動力總成的成本較2019年降低30%(圖五)。此外,混合動力電動車和傳統內燃機汽車的價格,預計將在同一時間達到接近的水平。


針對電動車的部分,日產表示,隨著固態電池技術的引入,相信「最終」也將達到相同的價格水平。全新動力總成技術-X-in-1,在透過整合馬達和逆變器,並直接冷卻逆變器內部的電子元件,整體尺寸縮小了25%。



圖五 : :日產對於X-in-1的目標是,到2026年將動力總成的成本降低30%。(source:NISSAN)
圖五 : :日產對於X-in-1的目標是,到2026年將動力總成的成本降低30%。(source:NISSAN)

其中電動車馬達的技術部分,日產在新一代的SUV電動車-Aria中採用了線繞磁場系統,該系統也是不採用永久磁鐵,而是利用電流的通過,由繞線製成的轉子磁力線圈(電磁鐵)產生磁場,來達到減少稀土中特別稀有的重稀土的使用。這個技術是基於已在雷諾電動車中實際使用的技術而開發。


它的優點是即使在高速運轉和高速旋轉時,也不會損失效率。但由於電刷機構需要空間直接向線圈傳遞電流,因此體積較大,成本較高。因此,日產正積極開發了一種減少稀土用量的永磁同步電機。


日產期望到2025年,透過這些新技術,將稀土的使用比例降低到1%以下。達到此目標下,對馬達最大的設計是,改變馬達轉子表面的形狀後,可以減少熱損失來實現的。傳統上,是透過分離放置在轉子周圍的磁鐵來降低發熱,但是在這種新一代的設計中,則是利用磁鐵緊密地放置一起,減少稀土材料的使用量。


ZF藉新技術來取代永磁馬達

以商用車傳動和底盤技術聞名的的德國業者ZF Friedrichshafen,開發了一款不使用磁鐵的電動汽車馬達,而其性能更與永磁同步馬達相當,但體積更小。


ZF的這款轉子內感應勵磁同步馬達(I2SM),是透過轉子軸中的感應勵磁裝置傳輸磁場能量,這與目前市場上的自勵同步馬達(SESM)的無磁概念截然不同,相比之下,電感式勵磁器可將轉子的能量傳輸損耗降低15%(圖六)。


此外,和使用含稀土材料磁鐵的PSM相比,生產過程中可減少二氧化碳排放量高達50%。ZF表示,這樣的設計將使得電機結構獨特緊湊,具有最大的功率輸出和扭矩密度,ZF相信這種先進的I2SM馬達是永磁同步馬達的最佳替代產品。



圖六 : :I2SM是透過轉子軸中的感應勵磁裝置傳輸磁場能量,可將轉子的能量傳輸損耗降低15%。(source:ZF Friedrichshafen)
圖六 : :I2SM是透過轉子軸中的感應勵磁裝置傳輸磁場能量,可將轉子的能量傳輸損耗降低15%。(source:ZF Friedrichshafen)

除了結構緊湊、功能強大,以及不使用稀土等優點外,I2SM還可消除傳統PSM電子馬達中,所出現的阻力損失。因此,在某些特定的環境行駛下更能顯出優勢性,如高速公路上長時間高速行駛時,效率更高。


在傳統的SESM概念中,轉子中的磁場是由電流而不是磁鐵產生的,這通常需要滑動或電刷元件,因此必須有很大的改進幅度。此外,還無法進入乾燥的安裝空間,即無法進行油冷卻,並且需要額外的密封製成另一方面,傳統SESM還在軸向上使用了約90mm的空間。


為了提供具有競爭力的獨立勵磁同步電機優勢,ZF成功地彌補了普通獨立勵磁同步電機在設計上的不足。勵磁系統與轉子在空間上的中立整合意味著不存在軸向空間上的劣勢。


此外,ZF功彌補了典型自勵同步馬達的設計缺陷,開發出更具優勢的自勵同步馬達。特別是,採用了新一代的轉子設計後,轉矩密度已經明顯高於傳統產品,同時因為將勵磁系統整合到轉子的空間內,除了軸向空間的損失已不存之外,轉子中功率密度的增加,使得性能也大幅度的提高。


未來,ZF計畫將I2SM技術開發到可大量生產的水準,並將其作為電子驅動平台的選項之一,開發不同車款的車廠可根據各自的應用選擇400V架構或800V的架構。值得一提的是,800V架構在電力的電子機構中採用了最新的碳化矽技術晶片。


未來電動車用馬達的發展趨勢

新觀念技術

車用馬達的技術發展生態系統中,對於耗能、動力輸出和成本的要求是相當嚴格,目前除了SESM、SynRM-IPM和SRM等技術之外,也有相當多的技術想法被提出來。


這些新一代的創新馬達技術包括:


● Linear實驗室的High Efficiency Torque(HET):越來越受到業界和工程師的關注。Linear Labs這種獨特的高效磁扭矩技術,與類似功率和尺寸的傳統馬達相較,所能提供的扭矩重量比高出3倍。除了不需要使用變速箱外,在材料的革命性上,銅的使用量減少了30%,更完全不使用稀土磁體,而是使用現成的鐵氧體磁鐵。


● 橫向磁通馬達(Transverse Flux motors):也開出現在車用馬達討論的範圍中,被視為是傳統徑向磁通系統(Radial Flux Systems)的替代品。


● TSRF新型高效電動馬達:電動車製造商Omega Seiki Mobility(OSM)在2022年2月宣布,與以色列新創公司EVR Motors結成策略聯盟,在印度生產基於TSRF技術的新型高效電動馬達,可用於目前和未來的電動車車型。這款馬達採用了梯形定子徑向磁通(TSRF)技術,可支援大功率和扭力範圍,電壓範圍為48V至800V,適合不同功率等級和各種速度。


無稀土電機

環境和供應挑戰是電機設備製造商發展「無稀土馬達策略」的驅動力。不過,稀土是一個以中國為中心的重大地緣政治問題,雖然稀土對環境具有極大的破壞性,但在大多數情況下,當今絕大多數最先進的電動汽車都需要這些非常稀有、非常昂貴、對環境破壞性極大的材料來實現高性能。


因此,無論是基於政治影響、生產成本,或保護環境的前提下,開發出不需要稀土的電動車用馬達,已經是全球電機業者卯足全力發展的一個重大方向,而全球電動車產業也都在引頸期盼著這個時代的到來。


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