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丰田最新型磁铁出现重大结构调整,或将摆脱对中国稀土资源的依赖

钕铁硼磁铁 (NdFeB) 是一种体积小、重量轻、磁性强的永磁体,目前被大量用于混合动力汽车,风力发电以及机器人等多个新兴产业。而钕铁硼磁铁最关键的材料就是钕(Nd),一种昂贵的稀土元素。因此,钕的价格可以直接影响到下游多个行业的利润。而丰田近日表示,针对电机等高能应用领域,成功发明出一款仅需标准钕铁硼磁铁几分之一钕含量的磁铁,有望打破对于钕的依赖。


对于钕这种稀土元素来说,虽然日益渐增的需求量正在导致其开采量逐渐提高,但与常见的元素相比,它还是十分"稀有"的。丰田曾表示说:"随着混合动力与纯电动力等电动汽车在未来的销量越来越高,我们担忧将会引起钕供应的短缺。"

此外,中国在稀土市场中的霸主地位也令下游的外国公司十分担忧。比如 2011 年的"稀土危机"就曾导致钕等稀土元素的价格大幅度上涨。因此,对于十分依赖钕元素来生产普锐斯这种新能源汽车的丰田公司来说,摆脱对中国稀土市场的控制是至关重要的。丰田这款全新的磁铁甚至都不需要铽或镝,这两种元素经常会被加入钕磁铁中来提高它在 100 摄氏度以上的操作性。

钕铁硼磁铁的优势在于可以用极小的体积产生极大的磁场。在添加镝之后,钕铁硼磁铁也会拥有极高的矫顽力,即磁化后抵抗磁场减退的抗性。

在电动汽车使用的永磁交流电机(PMAC)中,钕铁硼磁铁通常会被嵌入转子中,由电机定子中的电线通电所产生的磁场驱动。在其它设计中,磁铁也可以被嵌入定子中,或者受到直流电磁场的驱动。相比之下,更常见的感应电机则没有任何磁铁,仅依靠定子中的电线通过电磁感应所产生的磁场来驱动转子。

由于永磁电机可以依靠内部钕铁硼磁铁的磁场,它们往往体积更小、更轻便。对于同时需要一个电机电池系统和一个内燃机的混合动力汽车来说,减少电机的体积十分重要。因此,绝大多数的混合动力汽车都会使用永磁电机。而作为纯电动力汽车的特斯拉 Model S 与 Model X 则选择使用更沉重的铜线圈感应系统。不过,据说 Model 3 也转向了永磁电机来减少体积与重量,两个与续航里程有直接关系的参数(而且永磁电机的加速能力更强)。此外,雪佛兰 Bolt 也使用了钕磁铁电机。

在丰田的新磁铁中,丰田选择使用更便宜的镧和铈来代替钕和镝。当然,同样作为稀土元素的镧和铈的主要产地也是中国,所以这并不能解决上游供应链独霸的问题。但是与每公斤 100 美元的钕和每公斤 400 美元的镝相比,每公斤 5 美元的镧和每公斤 7 美元的铈有望将新能源汽车的价格降一大截。

图丨与传统钕铁硼磁铁那均匀分布的钕相比,丰田的磁铁仅将钕放在磁铁的表面。

为了降低钕的含量,丰田采取了多种手段。简单的将磁铁中的钕替换为镧和铈并不现实,因为这将产生一块矫顽力和耐热性都不高的劣质磁铁,意味着电机的性能也会无法保证。因此,丰田的新磁铁把所有的镧和铈颗粒都固定在内核中,然后再用一层钕把内核包起来。此外,丰田还降低了所有金属颗粒的大小。据研究显示,降低稀土磁铁组件的大小可以有效地提高磁铁存储的磁能。而丰田的研究人员成功的将这款磁铁的组件降至传统磁铁的 1/10。

在不损失任何性能和矫顽力的前提下,丰田这款磁铁的钕含量仅有传统钕铁硼磁铁的 20-50%。不过对于电动汽车来说,它们暂时还做不到同等幅度的能效提升,大约只能带来 20% 的的提升。不过这也足以降低电机的成本。

目前,这款磁铁技术还处于初期,需要更多的研究才能被用于汽车中。丰田希望,这款磁铁将在 2020 年代初期开始用于汽车的动力转向系统,在后期再逐渐扩散到电动汽车电机中。

作为混合动力汽车的领头羊,丰田对于全面进入全电动汽车市场却十分犹豫。但是,这并不意味着丰田的研究人员会忽略电动汽车技术。去年夏天,丰田就曾表示其研究院中有一款比特斯拉和雪佛兰这些竞争对手所使用的电池更轻、更小、工作温度范围更好的固态电池即将进入生产工艺设计。


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