Pas de terres rares et pas de moteur ? Écouter les fournisseurs nationaux interpréter les tenants et les aboutissants de la réduction des terres rares dans les moteurs
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Récemment, Colin Campbell, vice-président de l'activité groupes motopropulseurs de Tesla, a déclaré que les moteurs de nouvelle génération de l'entreprise n'utiliseraient pas du tout de matériaux de terres rares. Ce message a été comme une pierre jetée dans un lac calme, provoquant une agitation dans l'industrie. Il est rapporté qu'entre 2017 et 2022, Tesla a réussi à réduire de 25 % l'utilisation de terres rares dans le module d'entraînement du modèle 3 grâce à l'amélioration de l'efficacité du système de transmission. En 2020, Tesla a révélé qu'elle développait un nouveau type de moteur non magnétique à réluctance commutée à aimant permanent de surface (SPSRM), qui combine les avantages des moteurs à aimant permanent et des moteurs à réluctance commutée (SRM). , tout en évitant les inconvénients des deux, peut atteindre un rendement élevé, une densité de puissance élevée et une densité de couple élevée sans utiliser de matériaux de terres rares.
Tesla est connue comme la girouette de l'ère des véhicules à énergie nouvelle, quel est le moteur sans terres rares qu'elle préconise ? Combien de « éclaboussures » cela peut-il faire dans l'industrie ?
Pas de terres rares ne veut pas dire pas de magnétisme
Dans le contexte de la pratique de la voie verte et à faible émission de carbone et de la promotion du développement global de l'électrification, les batteries, les moteurs et les commandes électroniques sont devenus les « trois nouveaux éléments majeurs » indispensables aux véhicules à énergies nouvelles, et le les moteurs assument toutes les fonctions liées à la conduite du véhicule. .
À l'heure actuelle, il existe trois principaux types de moteurs utilisés dans les véhicules à énergies nouvelles : les moteurs synchrones à aimants permanents, les moteurs synchrones à excitation électrique et les moteurs asynchrones à courant alternatif. Les moteurs synchrones à aimants permanents sont le choix dominant dans l'industrie, mais en raison du coût élevé des matériaux de terres rares et des réserves limitées. Ces dernières années, la voix du remplacement est devenue de plus en plus forte.
Il est entendu que les matériaux des terres rares représentent près de 20 pour cent du coût des moteurs à aimants permanents. En tant que classe d’éléments métalliques dotés de propriétés physiques et chimiques particulières, il a été largement utilisé dans de nombreux domaines de haute technologie. Il existe une métaphore frappante sur le marché. Si le pétrole est le sang de l’industrie, alors les terres rares sont les vitamines de l’industrie, notamment de l’industrie automobile. Dans les moteurs à aimants permanents, le néodyme fer bore (NdFeB) est l'un des matériaux à aimants permanents les plus couramment utilisés, avec une rémanence et un produit énergétique élevés. Et ses trois types d'éléments constituants des terres rares : le néodyme (Nd), le praséodyme (Pr) et le dysprosium (Dy), qui sont d'une grande aide pour améliorer le magnétisme dynamique, la résistance à la chaleur, prolonger la durée de vie et réduire le bruit du moteur. Par conséquent, malgré leur coût élevé, les moteurs à aimants permanents ont toujours été la configuration principale des véhicules à énergies nouvelles.
L'affirmation de Tesla selon laquelle la prochaine génération de moteurs n'utilisera pas du tout de matériaux de terres rares semble avoir ébranlé le statut des moteurs à aimants permanents et des matériaux de terres rares. Du point de vue de la technologie et du marché, comment devrions-nous interpréter la tendance de l’industrie ?
En fait, Tesla n’est pas la seule entreprise à proposer que les moteurs n’utilisent pas de terres rares. En 2021, Mahle, une entreprise allemande de pièces automobiles, a développé un nouveau moteur qui ne nécessite pas de matériaux de terres rares ; puis en 2022, BMW a également lancé le moteur sans terres rares de cinquième génération. Les initiés de l’industrie estiment que Tesla et d’autres sociétés sont désireuses de développer des moteurs sans terres rares, non pas tant en raison du développement technologique que pour des raisons géopolitiques.
Selon les statistiques, environ 97 pour cent des matières premières de terres rares dans le monde sont fournies par la Chine. Selon les données, les terres rares constituent une ressource stratégique importante dotée de propriétés uniques et un élément clé indispensable pour transformer les industries traditionnelles, développer les industries émergentes et l'industrie des technologies de défense nationale. Auparavant, les prix à l'exportation des terres rares de la Chine étaient bas. Avec l'augmentation continue du coût de l'extraction et du raffinage des matières premières des terres rares, le contrôle des exportations de terres rares est devenu plus strict et les constructeurs automobiles étrangers ont commencé à trouver une autre issue.
Cependant, les experts du secteur estiment qu'il est inexact de qualifier un moteur de « sans magnétique » simplement parce qu'il n'utilise pas de terres rares.Niu Mingkui, directeur généraldu fondateur de Zhejiang Motor Co., Ltd.(ci-après dénommé « Moteur fondateur »), a déclaré au journaliste de « China Automobile News » que les aimants permanents aux terres rares ne sont qu'un moyen d'établir le champ magnétique principal des moteurs synchrones, et que les entreprises peuvent également utiliser d'autres méthodes, mais dans n'importe quel Dans ce cas, il faut établir un champ magnétique pour faire tourner le moteur, c'est donc évidemment un "gimmick" de proposer un moteur amagnétique. Selon lui, le plan de Tesla est bien compris. Les méthodes suivantes peuvent être adoptées pour les moteurs n'utilisant pas de terres rares : utiliser de la ferrite à la place des terres rares comme aimants permanents, ou utiliser des moteurs synchrones à excitation électrique, puis des moteurs à induction AC.
3 conjectures sur Tesla
En tant que leader des véhicules électriques, les mouvements de Tesla ont attiré l'attention de l'ensemble de l'industrie automobile. Concernant le moteur Tesla de nouvelle génération qui n'utilise pas de terres rares,Huo Congchong, responsable de l'ingénierie chez BorgWarnera trois conjectures.
Premièrement, « pas de terres rares » peut faire référence à aucune terre rare lourde, ni à toutes les terres rares. Huo Congchong a déclaré aux journalistes : « En général, les terres rares utilisées dans les moteurs font référence aux terres rares lourdes, telles que le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho), le néodyme (Nd), le praséodyme (Pr) et d'autres éléments. " Différents moteurs utilisent différents éléments de terres rares lourdes en raison de leur faible stock et de leur coût élevé. Désormais, les entreprises se tournent vers l'utilisation de terres rares plus légères et réduisent l'utilisation de terres rares lourdes. "
Deuxièmement, il est également possible de remplacer le moteur synchrone à aimant permanent par un moteur synchrone à excitation électrique. Le noyau du moteur d'excitation électrique consiste à remplacer l'aimant permanent par la bobine d'excitation électrique et à modifier la force magnétique en ajustant le courant de la bobine, de manière à atteindre différentes exigences de performance de puissance à différentes vitesses du véhicule. Dans le même temps, la bobine d'excitation électrique peut éliminer les inconvénients de la démagnétisation et du décrochage de l'aimant permanent à haute température, et l'affaiblissement du champ peut être réalisé en réduisant le courant d'excitation à grande vitesse, et le changement de vitesse peut être réalisé en contrôlant l'intensité d'excitation et la sécurité sont également meilleures. C'est ce que fait le moteur sans aimant de cinquième génération de BMW.
La plus grande différence entre un moteur à excitation électrique et un moteur à aimant permanent réside dans le rotor. Le principe du premier est d'ajouter des bobines au rotor et d'utiliser le dispositif à balais de charbon pour introduire le courant d'excitation. Cependant, cela a posé un nouveau problème : la fiabilité et la durabilité du balai de charbon auront un impact important sur l'efficacité de fonctionnement du moteur.
Troisièmement, la voie de l'excitation mixte peut également être réalisée en principe. Dans le but de maintenir un rendement élevé, ce nouveau type de moteur modifie la structure topologique et le champ magnétique principal est généré par deux sources d'excitation pour réaliser la régulation et le contrôle et améliorer les caractéristiques de régulation de vitesse, de performances d'entraînement ou de régulation de tension du moteur. . C'est-à-dire que l'aimant permanent n'utilise pas de matériaux de terres rares, mais utilise de la ferrite, puis ajoute une certaine excitation électrique, etc., mais cette solution a de mauvaises propriétés magnétiques et une efficacité de travail limitée. plus gros et plus lourd.
"Bien sûr, nous ne pouvons toujours pas exclure la possibilité que Tesla ait réalisé une percée majeure dans les nouveaux matériaux ; mais sinon, je pense que la première de ces trois solutions est la plus probable." Il existe des entreprises américaines qui peuvent développer une solution pour l'utilisation de terres rares lourdes « zéro » dans les moteurs. Je pense que ce n’est pas un défi difficile pour Tesla.
Le statut du moteur à aimant permanent n’est pas encore ébranlé
À l’ère de l’électrification automobile, de nouvelles exigences ont été mises en avant pour le développement de batteries, de moteurs et de commandes électroniques. Dans le futur, dans quelle direction le moteur va-t-il évoluer ? Alors que la recherche de performances de puissance des véhicules par le marché est de plus en plus élevée, les quatre roues motrices sont devenues une configuration haut de gamme pour de nombreuses voitures de performance, et les moteurs biaxiaux ont été adoptés par de plus en plus de constructeurs automobiles. Comment choisir entre un moteur à aimant permanent et un moteur à induction ?
Chen Jing, directeur du département de développement automobile de Founder Motors, a déclaré aux journalistes qu'il était récemment parvenu à une conclusion cohérente après avoir pleinement communiqué avec des professionnels de l'industrie lors d'une discussion de travail : les moteurs à aimants permanents sont toujours le courant dominant sur le marché.
« Les moteurs synchrones à aimants permanents sont largement utilisés depuis longtemps et ont un historique de développement de plusieurs décennies. Les matériaux ferrites ont été utilisés pour la première fois et la densité d'énergie n'est que de 1/2 à 1/3 de celle des aimants permanents aux terres rares. Par conséquent, à partir de l’an 2000 environ, l’industrie a commencé à ajouter des matériaux de terres rares aux aimants permanents, ce qui a grandement amélioré la densité énergétique du moteur. » Niu Mingkui a déclaré aux journalistes. Il estime que la tendance au développement des produits est indissociable des caractéristiques de la technologie elle-même. À en juger par les performances actuelles du moteur, les avantages des moteurs à aimants permanents aux terres rares sont inégalés par d'autres types de moteurs, ils resteront donc le premier choix pour la plupart des véhicules à énergie nouvelle, en particulier s'ils sont utilisés comme moteur d'entraînement principal.
Il est entendu que par rapport à d'autres types de moteurs, les moteurs à aimants permanents ont leurs propres champs magnétiques, ne nécessitent pas d'excitation, n'ont pas de pertes correspondantes, peuvent fournir un couple maximal et ont d'excellentes performances d'efficacité de transmission ; en même temps, ils peuvent atteindre une petite taille et un faible poids, ce qui permet d'économiser considérablement. Cependant, il est facile de démagnétiser à haute température et ne peut pas ajuster la vitesse en temps réel.
Les moteurs électriques à excitation et les moteurs à induction n'utilisent pas de matériaux de terres rares, ce qui permet de réduire les coûts, mais il existe également des problèmes en suspens. La structure du rotor du moteur synchrone à excitation électrique est compliquée et il existe un dispositif à balais de carbone à bague collectrice, qui a une faible fiabilité. Le balai de charbon doit être régulièrement entretenu et remplacé, et le coût de maintenance est élevé. Le moteur à courant alternatif à induction génère un champ magnétique induit en coupant le champ magnétique, de sorte que la force magnétique a une hystérésis ; mais le moteur asynchrone à induction à courant alternatif a de meilleures performances à grande vitesse et est actuellement couramment utilisé comme configuration combinée à quatre roues motrices. Par exemple, la Tesla Model 3 utilise un moteur à courant alternatif à induction combiné à un moteur à aimant permanent comme moteur de l'essieu avant d'un véhicule à quatre roues motrices ; Le modèle de Weilai est à l'opposé du modèle 3, utilisant une combinaison d'un moteur synchrone à aimant permanent de la roue avant et d'un moteur asynchrone à courant alternatif de la roue arrière Programme combiné.
À cet égard, Niu Mingkui a expliqué : « Bien que le moteur à induction puisse également atteindre la même efficacité de travail que le moteur à aimant permanent, il augmentera la quantité d'autres matériaux tels que le cuivre et l'acier au silicium, et il est également plus grand, plus lourd et " Prend plus de place. Par conséquent, l'industrie actuelle utilise rarement des moteurs asynchrones comme moteur d'entraînement principal. "
Chen Xiaoyong, chef de produit chez Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,a déclaré sans détour aux journalistes que le discours de Tesla semblait être un gadget, mais qu'il n'avait pas beaucoup d'impact sur les constructeurs automobiles nationaux. "Tout le monde est d'accord sur le fait que le courant dominant des moteurs de véhicules nationaux à nouvelles énergies est toujours constitué de moteurs à aimants permanents, et que l'efficacité des moteurs à excitation électrique et des moteurs à induction ne peut pas être comparée à eux. La teneur mondiale en terres rares est suffisante et il est peu probable qu'elle subvertisse moteurs à aimants permanents en peu de temps", a-t-il déclaré.
De nombreux acteurs du secteur partagent également le même point de vue. Selon Huo Congchong, le marché automobile chinois sera encore dominé par les moteurs à aimants permanents pendant au moins 10 ans. Il n'y a pas de crise de la chaîne d'approvisionnement dans ce domaine, et les moteurs nationaux des véhicules à énergies nouvelles ont également tendance à utiliser des terres rares moins lourdes, et les coûts continuent de baisser. , les avantages deviennent de plus en plus importants.
L'ensemble de l'industrie automobile réduit l'utilisation de terres rares lourdes, mais les terres rares ne seront pas utilisées. Dans une interview avec des journalistes,Gong Jun, expert en responsabilité automobile du groupe d'experts national spécial sur les technologies clés des véhicules à énergie nouvelle, a souligné que la production minière de la Chine est suffisante, il n'y a donc pas lieu de s'inquiéter.Dans le même temps, avec le développement du processus d'infiltration du dysprosium, l'industrie peut réduire la quantité de terres rares lourdes. À l'heure actuelle, Tesla n'abandonnera pas le moteur à aimant permanent, tout au plus réfléchira-t-il à la manière de ne pas utiliser de terres rares lourdes.
« De nombreuses entreprises étrangères ont pu utiliser uniquement des terres rares légères pour leurs moteurs, mais du point de vue des conditions du marché, les clients nationaux n'acceptent pas beaucoup la solution de terres rares lourdes ; efficacité. C’est un problème qui doit être résolu. Huo Congchong a déclaré aux journalistes.
Les terres rares ne sont plus un goulot d'étranglement
L'ensemble de l'industrie automobile a commencé à se développer dans le sens d'une réduction des terres rares, notamment en réduisant l'utilisation de terres rares lourdes. Niu Mingkui a déclaré que les réserves et les prix des terres rares lourdes et des terres rares légères sont très différents. Par exemple, le prix actuel du marché du praséodyme et du néodyme est supérieur à 700 000 yuans/tonne, le terbium atteint plus de 20 millions de yuans/tonne et le coût des terres rares de lanthane et de cérium est inférieur. Des dizaines de milliers de yuans/tonne. Par conséquent, l’industrie a obtenu de bons résultats en favorisant l’élimination des terres rares lourdes et en réduisant la quantité de terres rares légères, de praséodyme et de néodyme.
"Tout comme la conception légère précédente des automobiles, en réduisant l'épaisseur de la plaque d'acier, en réduisant le poids à vide, puis en améliorant la conception structurelle ou le processus de soudage, le véhicule a une meilleure rigidité, ce qui ne réduit pas la sécurité, mais atteint également efficacement " léger. Quantification. Désormais, l'idée de réduire les terres rares dans les moteurs est la même. " Niu Mingkui a expliqué plus en détail.
Le journaliste a appris qu'avec les progrès de la technologie, l'utilisation des matériaux moteurs a subi de grands changements. Chen Jing a déclaré aux journalistes : « Lorsque nous avons utilisé pour la première fois des matériaux magnétiques pour fabriquer des aimants, nous avons mélangé et cuit des éléments de terres rares et des matériaux à base de fer, de sorte que l'ensemble du matériau de terres rares soit réparti uniformément dans les aimants. Mais en fait, l'aimant permanent synchrone moteur Le principe de démagnétisation détermine que la teneur élevée en terres rares dans la surface de l'acier magnétique doit être augmentée et que la teneur élevée en terres rares dans la zone centrale doit être faible et inégalement répartie. L'acier magnétique traditionnel adopte un processus de frittage uniforme, et en fait une grande partie de matériaux lourds de terres rares sont utilisés. Dans le processus, il n'a pas joué la valeur qui lui était due.
Ces dernières années, en raison des progrès du processus de fabrication, la surface et l'intérieur de l'acier magnétique peuvent être cloisonnés, et la technologie de diffusion aux limites des grains est utilisée pour réparer et augmenter les propriétés magnétiques de la surface de l'aimant. Il est rapporté que des chercheurs japonais ont été les premiers à proposer le concept de « diffusion aux limites des grains », en utilisant un processus spécial pour faire diffuser les terres rares lourdes uniquement dans les limites des grains et non dans le grain, ce qui améliore non seulement les performances des matériaux NdFeB, mais également réduit considérablement la quantité totale d'éléments de terres rares lourds réduit le coût du matériau. La technologie nationale de diffusion aux limites des grains s'est également développée rapidement et est presque devenue la configuration standard des nouveaux produits, réduisant considérablement la quantité de terres rares lourdes. Selon des statistiques incomplètes, grâce à un programme de diffusion plus ciblé pour la sélection de l'acier magnétique, Founder Motor peut réduire l'utilisation de terres rares lourdes de 20 à 30 pour cent chaque année, et elle l'a réduit de près de 50 pour cent jusqu'à présent. "Cependant, il n'y a pas de solution claire quant à savoir si l'utilisation de terres rares lourdes sera proche de zéro dans une certaine mesure, car les terres rares lourdes sont précieuses pour améliorer les performances de l'acier magnétique, l'anti-vibration et la résistance aux températures élevées, donc ils ne peuvent pas être complètement remplacés à court terme. " a souligné Niu Mingkui.
Selon Gong Jun, les progrès technologiques dans le domaine des applications des terres rares ont atteint un niveau relativement élevé et ne constituent plus l'objectif principal de la recherche. Les entreprises étrangères travaillent sur des solutions sans terres rares ou sans terres rares, il n’y a donc pas lieu de s’inquiéter du stock de ressources en terres rares.
En fait, de nombreuses entreprises développent la technologie de préparation d’aimants NdFeB frittés à faible coût au lanthane et au cérium pour répondre à la demande du marché en aimants permanents aux terres rares à faible coût et à flux réglable. Le raffinement des grains, la diffusion et la régulation des limites des grains ainsi que d'autres technologies ont également été largement utilisés dans la production de masse, réduisant la quantité de terbium et de dysprosium de terres rares lourdes, réduisant ainsi le coût des matières premières du produit.
"Avant, tout le monde était très impliqué. Bien que mon pays ait les avantages des ressources en terres rares, il craint que les fluctuations de prix dans l'utilisation réelle ne soient trop importantes, et l'innovation des matériaux et des processus est également limitée par le niveau de prix des ressources rares. Terres. La tendance actuelle est de réduire le volume des moteurs. , Les entreprises augmenteront la vitesse du moteur, ce qui réduira les exigences en matière de magnétisme. Désormais, l'industrie a des exigences de plus en plus faibles en matière de terres rares, et si elles continuent de baisser, la quantité de terres rares lourdes diminuera également », a déclaré Gong Jun.
À cet égard, Niu Mingkui l'a également analysé sous trois aspects : premièrement, les réserves mondiales de terres rares sont suffisantes, il n'y a donc pas lieu de s'inquiéter du tout ; Deuxièmement, dans les conditions actuelles de développement technologique, l'utilisation de terres rares dans les moteurs est bien moindre qu'auparavant, et le degré de dépendance aux terres rares. Encore une fois, il convient de mentionner qu'avec le développement de l'industrie du recyclage des moteurs, les terres rares Les matériaux des moteurs usagés peuvent être techniquement purifiés et recyclés à près de 100 pour cent, ce qui constitue également une source importante de terres rares. "Les terres rares nécessaires à la fabrication d'un moteur dans le passé pourraient être utilisées pour produire deux nouveaux moteurs à l'avenir." Il a déclaré qu'à mesure que le marché des véhicules à énergie nouvelle continue de croître à l'avenir, le recyclage des moteurs pourrait être une source importante de matériaux de terres rares, et « les terres rares « Dafeng » devraient également être réalisées plus tôt que prévu. les matériaux peuvent atteindre un équilibre dynamique organique, tout comme les véhicules à énergie nouvelle.
