作為新能源汽車的三大核心部件（電池、電機(jī)、電控）之一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接決定著新能源汽車的主要性能指標(biāo)，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、續(xù)航里程等。因此，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率、功率及扭矩密度、可靠性和降低電動(dòng)機(jī)成本一直是整個(gè)產(chǎn)業(yè)界研究的重點(diǎn)方向。

在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要類型中，永磁同步電機(jī)憑借著功率密度高、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，已成為我國新能源汽車和混合動(dòng)力汽車應(yīng)用最廣泛的電機(jī)技術(shù)。海外市場(chǎng)上，歐美日韓純電動(dòng)車和混動(dòng)車型采用感應(yīng)異步電機(jī)或永磁同步電機(jī), 以目前投放市場(chǎng)的車型，日韓車企以永磁電機(jī)為主，毆美車企選擇感應(yīng)電機(jī)居多。

但值得關(guān)注的是，近年來，不少海外企業(yè)正在加快開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor或SRM）的研發(fā)進(jìn)程。

圖片來源：Enedym

2021年，從加拿大McMaster大學(xué)孵化的初創(chuàng)企業(yè)電力驅(qū)動(dòng)和電氣化動(dòng)力總成技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)Enedym宣布，從由P&A Paletta Giving Inc., TRIO Capital Group Inc., Napino Group, KWG Capital Inc., Pathfinder Asset Management Limited,等戰(zhàn)略投資者組成的國際投資集團(tuán)獲得1500 萬美元的融資，新投資將用于加速開發(fā)其SRM專利電機(jī)技術(shù)，并拓展其在電機(jī)市場(chǎng)所占的份額。作為投資者之一，汽車電子領(lǐng)域供應(yīng)商N(yùn)apino Group首席執(zhí)行官Naveen Kumar表示：“Enedym的專利SRM技術(shù)有望成為傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)的有力替代品。”

同年，美國智能電機(jī)初創(chuàng)公司Turntide Technologies完成一輪獲得包括比爾-蓋茨和亞馬遜等投資人支持的8000萬美元融資，目標(biāo)用高效開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)取代包括用于樓宇、農(nóng)業(yè)、交通領(lǐng)域的其他落后技術(shù)電機(jī)，大幅度降低電耗。2021年下半年，通過收購英國商用車電氣化獨(dú)角獸企業(yè)AVID，切入汽車電氣化賽道。

優(yōu)點(diǎn)突出、缺點(diǎn)明顯的開關(guān)磁阻電機(jī)

從原理和構(gòu)造來看，電磁型電動(dòng)機(jī)可以分為直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，其中交流電動(dòng)機(jī)主要有感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。

結(jié)構(gòu)上，三大交流電動(dòng)機(jī)均由定子和轉(zhuǎn)子所組成，不過與永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上有對(duì)溫度敏感的永磁體、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上有繞組或?qū)w等零部件不同，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由沖壓成凸極形狀的硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)極其簡單。

圖片來源：知乎@萬泰說電機(jī)

工作原理上，開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理遵循“磁阻最小原理”，即：“磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，從而產(chǎn)生磁拉力，進(jìn)而形成磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩”和“磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻和增大磁導(dǎo)的本性”。

也正是這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了開關(guān)磁阻電機(jī)具備大批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、價(jià)格便宜、較高的功率密度、冷卻要求低等特點(diǎn)。此外，其還具備成本優(yōu)勢(shì)，放率和功率密度則介于感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)之間。

磁阻電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展至今已有接近兩百年的歷史了，但由于依賴電力電子技術(shù)，所以開關(guān)磁阻電機(jī)直到上世紀(jì)60年代以后才開始應(yīng)用，主要用于牽引、工業(yè)和自動(dòng)化泵等對(duì)噪音要求不高的行業(yè)。

整體來看，開關(guān)磁阻式電動(dòng)機(jī)有許多突出優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。不過，萬物都有兩面性，開關(guān)磁阻電機(jī)也不例外。轉(zhuǎn)子凸極在相對(duì)于定子凸極轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的扭矩脈動(dòng)以及周期性變化的凸極徑向磁力的變化而引起的噪音和振動(dòng)是磁阻電機(jī)被廣泛應(yīng)用的一大制約因素。其次，開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)眾多，數(shù)理模型還不成熟，設(shè)計(jì)難度大，而控制難度更大。上述二個(gè)原因使得磁阻電機(jī)應(yīng)用滯后于感應(yīng)和永磁電機(jī)。

降低稀土依賴，歐美積極研發(fā)突破缺陷

既然開關(guān)磁阻電機(jī)存在一些先天的缺陷，海外企業(yè)為何仍在加快研發(fā)該技術(shù)呢？

“首先，最近十年技術(shù)的發(fā)展，使得解決開關(guān)磁阻電機(jī)的傳統(tǒng)缺陷成為可能”，原上汽集團(tuán)技術(shù)中心副主任、奕森科技創(chuàng)始人、華澗新能源聯(lián)合創(chuàng)始人、國際汽車工程學(xué)會(huì)會(huì)士辛軍在接受蓋世汽車采訪時(shí)如是表示?！皷|京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已在一個(gè)60千瓦的SRM試驗(yàn)樣機(jī)上，達(dá)到與永磁電機(jī)相近的效率95.5%。另外，通過優(yōu)化輸入定子的電流，減小定子凸極徑向力的波動(dòng)，可以大幅度降低噪音和振動(dòng)。如果這些研究結(jié)果能應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)品上，那么開關(guān)磁阻電機(jī)將是很有競(jìng)爭力的技術(shù)?！?/p>

“第二個(gè)原因是與稀土材料的供貨安全和價(jià)格波動(dòng)有關(guān)。盡管從全球稀土探明儲(chǔ)量而言，完全能滿足因碳中和而引發(fā)的全方位電氣化的要求，不像其他元素（例如鋰、鉆等）存在需求大于儲(chǔ)量的瓶頸。但是全球稀土資源分布極不均勻，而且稀土開采精煉對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞很嚴(yán)重，這導(dǎo)致對(duì)稀土供貨穩(wěn)定性和價(jià)格波動(dòng)的擔(dān)憂。開關(guān)磁阻電機(jī)傳統(tǒng)缺陷大幅改進(jìn)的可能性以及供貨安全的考慮，促進(jìn)近期海外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)加大對(duì)磁阻電機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入?！?/p>

眾所周知，稀土是一種不可再生資源，也是一種重要的戰(zhàn)略資源。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示，2022 年全球稀土儲(chǔ)量約為 1.25億噸，其中中國儲(chǔ)量為 4400萬噸，約占全球35%。此外越南、俄羅斯、巴西稀土儲(chǔ)量靠前，分別為2200萬噸、2100萬噸及2100 萬噸，以上四國占據(jù)全球稀土儲(chǔ)量87%。稀土元素不像名稱上聽起來那么稀少，稀土在地殼的含量與銅和鋅相近。在17種稀土元素中，各元素儲(chǔ)存量也不均衡，像鏑、鋱等重稀土元素礦石中含量少、生產(chǎn)成本更高。

也就是說，稀土儲(chǔ)量并不豐富的歐美等國研發(fā)不含稀土材料的開關(guān)磁阻電機(jī)成為其確保供應(yīng)鏈安全的重要路徑。Turntide董事長兼首席執(zhí)行官Ryan Morris曾表示，對(duì)稀土礦的依賴使企業(yè)面臨“巨大風(fēng)險(xiǎn)”。他指出，“對(duì)汽車電機(jī)的需求正在飆升。原材料供應(yīng)增長得不是很快，我認(rèn)為這些材料的短缺將在未來三到四年內(nèi)達(dá)到沸點(diǎn)?！?/p>

在供應(yīng)鏈安全的重壓下，歐美等國加速研發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)的動(dòng)機(jī)也就不難理解了。也正是在此背景下，相關(guān)研發(fā)的推進(jìn)也讓開關(guān)磁阻電機(jī)的一些缺陷問題得到突破。

2019年美國能源部可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布一份報(bào)告，NREL作為獨(dú)立第三方在沃爾瑪一家商場(chǎng)，對(duì)使用開關(guān)磁阻電機(jī)后的冷凝器風(fēng)扇電耗進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用Turntide的磁阻電機(jī)后，與原來的感應(yīng)電機(jī)相比，電耗可以降低29%到71%（取決于優(yōu)化范圍）。

另有研究表明，采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲可以得到良好的抑制。此前，Enedym就表示，公司已成功解決SRM電機(jī)的噪音、扭矩波紋和功率密度等問題，使電機(jī)變得安靜、平穩(wěn)且高效。另外，Turntide和Enedym開發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī)，都通過增加凸極數(shù)來提高電機(jī)的扭矩密度。Turntide磁阻電機(jī)在寬廣的轉(zhuǎn)速和扭矩范圍都能保持較高的效率,在大部分負(fù)荷區(qū)域甚至與永磁電機(jī)相比較，具有更高的效率。這些結(jié)果完全顛覆對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的傳統(tǒng)認(rèn)知。

圖片來源：Turntide

辛軍還指出，除了降低對(duì)稀土材料的依賴外，國外企業(yè)研發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)也是看中了在碳中和大背景下該技術(shù)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域包括在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用的諸多優(yōu)勢(shì)。

首先，成本低，適合批量生產(chǎn)。據(jù)了解，驅(qū)動(dòng)電機(jī)成本主要由直接材料、制造費(fèi)用、技術(shù)開發(fā)費(fèi)用三大部分構(gòu)成，其中制造定/轉(zhuǎn)子的磁鋼、硅鋼片，用于安裝架的殼體，用于繞組的漆包線等直接材料成本占到總生產(chǎn)成本的63%左右。

以永磁同步電機(jī)為例，該電機(jī)的制造原材料主要有稀土磁鋼、硅鋼片、銅和鋁等，其中稀土磁鋼（主要用于制造永磁體）占總成本的比例最大，達(dá)到30%左右。而開關(guān)磁阻電機(jī)由于沒有永磁體，成本可大大降低。與此同時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，更易于大批量生產(chǎn)，較高的生產(chǎn)效率最后體現(xiàn)在制造成本上，也有一定的優(yōu)勢(shì)。

其次，容易冷卻，可在高溫下運(yùn)行。隨著電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的功率密度越來越大，電機(jī)產(chǎn)生的熱量也越大，電機(jī)散熱也面臨著新的挑戰(zhàn)。開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱量很少，電機(jī)損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻。另值得注意的是，永磁體電機(jī)的磁鋼在高溫下還會(huì)出現(xiàn)磁性衰減的問題。而開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升，可以在苛刻溫度條件下工作。

第三，魯棒性高，使用可靠性好。上文提到過，開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)擁有高可靠性，這一特性將大大拓展該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，也非常適用于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。魯棒性高和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)在新能源汽車輪轂電機(jī)上的應(yīng)用特別具有優(yōu)勢(shì)。

最后，寬廣的高效率區(qū)、高扭矩和功率密度，使得開關(guān)磁阻電機(jī)可能在性能上挑戰(zhàn)永磁電機(jī)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

供需矛盾長期存在，我國驅(qū)動(dòng)電機(jī)需多點(diǎn)布局

在海外企業(yè)加快研發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)之時(shí)，我國作為全球最大的新能源汽車單一市場(chǎng)（占比超過50%），在驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心部件的研發(fā)上自然也不能懈怠。

可以肯定的是，相比于過去幾年，我國驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，主要性能指標(biāo)也已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。但也應(yīng)該看到，在峰值轉(zhuǎn)速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。

“我國除了繼續(xù)提高永磁電機(jī)的性能和產(chǎn)品競(jìng)爭力外，也需要關(guān)注其他技術(shù)的發(fā)展?！毙淋娭赋?。在他看來，中國當(dāng)下盡管有充足的稀土，但在“雙碳”目標(biāo)和全面電動(dòng)化戰(zhàn)略的推進(jìn)下，仍需警惕稀土資源帶來的供應(yīng)鏈安全問題以及價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。“盡管中國有豐沛的稀土資源和完整的產(chǎn)業(yè)鏈，使我國發(fā)展永磁電機(jī)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。但我們也要避免因此成為在其他電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的障礙?！?辛軍認(rèn)為中國產(chǎn)業(yè)和科研機(jī)構(gòu)要關(guān)注開關(guān)磁阻電技術(shù)發(fā)展，“一是開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，國外已有公司和大學(xué)在克服開關(guān)磁阻電機(jī)取得重大突破；二是汽車產(chǎn)業(yè)布局的全球化，決定我們電機(jī)技術(shù)也需要緊跟或引領(lǐng)全球電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)熱點(diǎn)；三是隨著電氣化汽車產(chǎn)銷的高速增長和開關(guān)磁阻電機(jī)相比永磁電機(jī)的巨大成本優(yōu)勢(shì)，對(duì)汽車公司具有巨大的吸引力，成本控制永遠(yuǎn)是汽車產(chǎn)業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力之一”。

據(jù)了解，第三代稀土永磁材料——釹鐵硼永磁體，是性能最優(yōu)、用量最大、磁材市場(chǎng)占比最高的永磁材料。目前，該材料已廣泛應(yīng)用于新能源車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、稀土永磁電機(jī)、直驅(qū)風(fēng)電中永磁電機(jī)等領(lǐng)域。

就永磁同步電機(jī)來看，根據(jù)中國稀土行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，新能源汽車每輛純電動(dòng)車消耗釹鐵硼5-10kg，每輛插電式混合動(dòng)力汽車消耗2-3kg。綜合保守估算，一輛新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗釹鐵硼磁材為5kg。2021年，我國新能源汽車銷量同比增長160%至352萬輛，其中90%以上驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型為永磁同步電機(jī)，對(duì)應(yīng)釹鐵硼需求量近1.6萬噸。到2025年，按全球新能源汽車銷量預(yù)計(jì)接近2000萬輛來算，所需釹鐵硼磁材約9.78萬噸。

上述僅是新能源汽車永磁同步電機(jī)對(duì)釹鐵硼的需求量，尚不包括工業(yè)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、節(jié)能電梯、變頻空調(diào)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域的需求量。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，為了達(dá)到將升溫控制在2度之內(nèi)，到2050年僅新裝機(jī)風(fēng)能需增加12000吉瓦。到2050年，每年稀土材料需求會(huì)增加10倍左右?？梢韵胍?，在全球低碳化的發(fā)展大勢(shì)下，包括新能源汽車產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域?qū)︹S鐵硼磁材的需求量將高居不下。

對(duì)應(yīng)地，從供給端來看，受國內(nèi)稀土供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革持續(xù)，以及國家嚴(yán)格控制稀土開采及冶煉份額等因素影響，我國2021年釹鐵硼毛坯總產(chǎn)量為21.65萬噸。根據(jù)過往的稀土配額增量，預(yù)計(jì)其未來每年配額的增速將維持在20－30%區(qū)間，而下游需求的增長則遠(yuǎn)高于這個(gè)數(shù)字，供需之間的矛盾將會(huì)長期存在。

而一旦供需失衡，漲價(jià)在所難免。近年來，鎳、鈷、鋰等動(dòng)力電池原材料價(jià)格的暴漲就是例證，那么對(duì)永磁同步電機(jī)至關(guān)重要的稀土資源是會(huì)否上演相似的路徑？目前尚難定論。但眼下可以看到的是，釹鐵硼的漲價(jià)大幕已經(jīng)開啟。

根據(jù)百川盈孚數(shù)據(jù)，自 2021 年 6 月份以來，燒結(jié)釹鐵硼價(jià)格持續(xù)上漲，截至2022 年5月31日，毛坯燒結(jié)釹鐵硼N35和H35全國均價(jià)均上漲3元/公斤，分別至272.5元/公斤和341.5元/公斤。

誠然，此輪漲價(jià)有疫情導(dǎo)致的短期供給波動(dòng)，但最根本的還是供需邏輯。對(duì)于我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)而言，有了動(dòng)力電池的前車之鑒，面對(duì)永磁同步電機(jī)占比超過九成的現(xiàn)狀，謹(jǐn)慎對(duì)待稀土資源的供應(yīng)問題絕非杞人憂天，而提早關(guān)注開關(guān)磁阻等新型電機(jī)技術(shù)的發(fā)展或能防患于未然。

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