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瞄准电动汽车马达领域的稀土替代技术 |
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| http://cn.newmaker.com
3/29/2011 6:06:00 PM
日中环保生态网
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在改装EV（电动汽车）的普及等笔者所从事的领域，稀土问题非常重要。原因就像媒体所报道的那样，在EV用高性能马达中，钕和镝等稀土材料起了很大的作用。
面对关注程度前所未有的稀土问题，需要从资源和技术开发两方面寻求综合对策。
高技术的维生素
稀土是稀有金属的一种，是位于元素周期表第三族第四周期到第六周期的十七种元素的总称。只需添加少量到材料里，就可大大提高材料特性。如果用营养素来比喻，就像是维生素、矿物质或者酵素。用于永久磁铁、催化剂、玻璃研磨剂以及荧光体材料等广泛领域。可以这么说，日本引以为豪的高技术就是通过稀土而实现的。
日本需求量约占全球总量的一半，是世界最大的稀土消费国，然而产量的97％以上来自中国。供求结构的不平衡，迫使日本产生了强烈的危机感。
因此，寻找中国以外的供应商就成为了一个紧要课题。
之所以被称为稀土，并不是因为其本身储量“稀少”。而是由于生产基本上集中在中国，低价的中国稀土使其他国家被迫停止了生产。
好在目前中国以外地区的稀土开采计划已逐渐成形。首先，因中国产品的竞争而从2000年开始停产的美国帕斯山矿山再次开工。其次，预定2012年开工的澳大利亚维尔德山矿山的质量和储量均已确认达到了全球最高水平。在日本，各商社等相关企业也开始寻找其他供应商，今后对中国的依赖将逐渐减弱。
即使如此，只要海外依赖仍在继续，那么采购风险就不可能消失。
“混在一起是垃圾，分类收集变资源”——这是一句鼓励垃圾分类回收的口号，而在稀土和稀有金属等矿物资源领域也正在认真地探讨这一思路。也就是“城市矿山”的构想。
稀土生产趋势（1950-2000年）（出处：笔者根据http://pubs.usgs.gov/fs/2002/fs087-02/制作）
在废弃的家电产品、OA设备和信息设备中，含有金、铜、镓以及钽等有用资源。虽然每件产品所用的资源量很少，不过，如果把这些分散在废弃电子产品中的资源收集起来，估计总量十分可观。据2008年1月公开的报告推算，在日本城市矿山中，金的“储量”约为6800吨、占全球储量16％左右，银约为6万吨、占全球22％左右。铟、锡以及钽分别占61％、11％以及10％。
稀土此前几乎没有回收的原因是成本偏高。不过，日立制作所计划开展稀土磁铁回收业务，开始在各方面扩大和涉足“城市矿山业务”。高效回收废弃物中金属资源的高品质技术，已成为日本环境技术的重要课题。
不使用稀土的技术
另一个重要课题是稀土替代。所有领域该如何减少稀土的用量？或者说不使用稀土？这将对产品的竞争力产生很大的影响。即使不考虑采购稳定的问题，在中长期内，稀土价格上涨也是不可避免的。
下面，让我们把目光集中到EV用马达上。作为稀土危机的典型案例，很多媒体都提到了EV用马达，但如果进展顺利，这将成为稀土替代技术的范例。
现在的EV和混合动力车使用的主流马达是“永久磁铁同步型”。比如，丰田的“普锐斯”、三菱汽车的“i-MiEV”以及2010年12月上市的日产“LEAF（中国名：聆风）”都采用了此类马达。
这种马达在转子上采用了永久磁铁，但问题是EV等采用的高性能磁铁中使用了钕等稀土。钕磁铁是日本人的伟大发明之一，但具有讽刺意味的是，在日本并没有钕。
不使用稀土的强力永久磁铁的开发也是今后的重要课题，但如果考虑到将要正式开始大量生产的EV和混合动力车的话，不使用无特殊材料、工作原理成熟的永久磁铁的马达将成为重要选项。
实际上，这类尝试已经开始。代表产品是美国EV厂商采用的感应马达。已配备于泰斯拉的EV“Roadstar”，通用汽车2010年12月上市的续航距离延长型EV“雪佛兰Volt”也采用了这种马达。
丰田也在尝试生产感应马达
这种类型的马达可说是“通用产品”，简单来说，采用了只通过铁和铜来工作的磁铁。因此，部分技术人员评价其“落后于时代”，然而，这是一种对感应马达认知不足的表现。
感应马达技术历史悠久，不过利用最新的控制技术，克服了转速和扭矩控制难等缺点，可说是获得了新生。通过使用该技术，泰斯拉“Roadstar”实现了全球最高水平的加速力。与永久磁铁同步型马达相比，低速区时效率的确偏低，不过高速区效率很高。最重要的是，不依赖稀土这个优点很适合日本等资源小国。
1990年代，GM推出了名为“EV-1”的电动汽车。主要是为了满足加利福尼亚州ZEV（零排放车）规定，但因ZEV规定被去掉主要内容而停止了生产。这个过程被拍成纪录片《谁杀死了电动汽车？》，引起了广泛议论，而“EV-1”使用的就是感应马达。
距今数10年前用于EV的技术，现在已被泰斯拉和现在的GM继续沿用。尽管目前使用感应马达的主要EV厂商只有这两家公司，不过随着稀土短缺的持续，其他厂商应该也会开始重新研究和开发感应马达。
在永久磁铁同步型马达方面步调一致的日本企业也出现了上述趋势。
2010年5月，丰田出资泰斯拉，两公司就合作开发EV达成协议，宣布7月将合作开发丰田SUV（多功能运动车）“RAV4”的EV版。
此次合作开发，将在丰田的车身上配备泰斯拉的动力传动系统。该系统包括电池、马达、逆变器以及控制用软硬件。所以，只要开发方向不发生很大的改变，与泰斯拉“Roadstar”一样，“RAV4 EV”也会成为利用感应马达驱动的EV。预定2012年在美国上市。
开关磁阻马达
我们正在实施的EV改装项目也采用了无稀土（不使用永久磁铁）马达。考虑在低价位款式上使用串励直流马达（电枢线圈与磁场线圈串联）或者并励直流马达（电枢线圈与磁场线圈并联），高性能款式使用高输出功率的感应马达。
在从事改装EV技术开发的日本爱媛县产业技术研究所“EV开发中心”，以最高时速190km为目标的1号试制车“Copen EV”上，采用了最高输出功率达47kW的感应马达。1号试制车使用了美国生产的马达，不过现在日本厂商也正在开发同类型EV马达。
欧洲还出现了奔驰双座小型车“Smart”等的EV改装热潮，好像在这个过程中也主要采用感应马达。
除感应马达外，非永久磁铁型马达的开发也被寄予厚望。也就是开关磁阻马达。
这种马达诞生于1838年，历史悠久。但因为控制难、噪音大，至今没有正式投入使用。不过，得益于最近电力电子技术的发展，对其实用化的期待越来越高。“古老的新式马达”--这就是SRM。
原理本身极其简单。向铁钉附近的电磁铁通电，钉子被吸引过去。在逐渐靠近的钉子被吸到磁铁上之前，停止对这块磁铁的通电，向旁边的电磁铁通电。重复这个动作，会使钉子一直追着跑。可以这么认为，SRM就是通过这样的动作转换成了旋转运动。
如图所示，SRM是一种定子和转子均为凸极结构的旋转马达。向定子一侧的A线圈群通电励磁后，转子的凸极X开始向A靠近。从而产生扭矩。转子旋转、凸极X快到达A的正下方时，停止向A线圈群通电，再次励磁B线圈群，沿顺时针方向产生扭矩。持续这一系列的动作，就可实现旋转运动。
SRM在转子上没有使用永久磁铁和线圈，构造简单、价格低廉并且结构牢固，适合大量生产。而且，不会出现受热消磁这个一直困扰永久磁铁的问题，具有耐高温环境的特点（钕磁铁为抑制在高温下的特性劣化添加了镝这种稀土。据称镝比钕还难以保持稳定性）。
随着近年控制技术的进步，上述缺点正在被逐渐克服，作为EV用马达也备受关注。另外，虽然还不到可以公布具体方案的阶段，不过笔者已经在和某厂商合作开发改装EV用SRM。
以钕磁铁为代表的使用稀土的高技术是日本的王牌技术。但如果没有至关重要的稀土，就不能够发挥预期的性能。或许从长期战略的角度考虑，有时也需要有舍弃重大发明的勇气。
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