关于电动汽车用电机的新思路？

pat

总所周知，稀土材料价格暴涨后对采用永磁电机作为驱动的EV、HEV来说是带来很大投资风险，比如有的电机中永磁体的成本已超过电机成本的一半，因此现在已有不少零部件商和整车公司考虑使用其他代替类型的电机，主要是为了避免使用稀土永磁材料。常见思路如下：
1. 采用感应电机：优点是结构牢固，工作可靠，成本低廉，但控制复杂，且效率低，不适合城市工况；
2. 开关磁阻电机：成本更低，可靠性高，高速性能好，控制也简单，但低速下转矩波动太大，技术还不成熟；
3. 使用铁氧体取代钕铁硼等材料：这个现在日本人研究的比较多，虽然不太可能达到稀土永磁体的性能（磁能积差太多），但不失为一种可行的思路；
4. 新结构的混合型励磁电机……
5. 新材料的发明与应用……
希望大家集思广益，展开讨论！

accnet

实际上感应电机和永磁同步电机、永磁无刷电机都有启动性能不佳，启动效率低的问题，这其实就是控制复杂的主要原因。但前者问题最大，后二者还有其他问题，比如增速。只要开关磁阻电机能够解决自身的问题，还是车辆最有希望的驱动电机技术。至于铁氧体永磁电机，似乎不太可能。这种技术方案复活的出发点，不过是因为钕铁硼磁能积太高，导致永磁电机增速有问题。但这样做将导致功率密度下降。喊弱磁喊的，还真把铁氧体喊来了？
我认为，采用当前锂电池和钕铁硼技术作为电动汽车行业的技术资源是不合适的。不能因为石油资源要用完了，就去消耗锂和稀土资源吧。后二者的资源在地球中更少。
这是整个行业的失误！
我认为，电动汽车在电池技术上应该采用基于钠或钾的电池，因为钠钾在地球中极其大量地存在，锂钠钾同属外层单电子的结构，估计盐类性质也相似。国际电池产业界或许并不希望锂钾电池技术出现，因为太便宜了就没法赚钱了。
所以这次新能源革命实际上也是中国相关产业界的机会。别再跟着外国在锂电池技术的屁股后面跑了，中国的电池行业应该在钠钾电池，甚至钙电池方面对人类做出产业化的贡献。也只有这样，被资本寡头控制的石油定价权才可能崩溃，钠钾甚至钙电池的技术也只有在中国这样劳动力资源巨大，劳动力资源质量高，市场容量巨大的国度里，才能得到发展，即使欧美搞出了钠钾电池，也不敢以低价供应市场。

lyftcl

中国的轻稀土是用不完的。不过重稀土，含量最少的也就三五十年的开采量了。
因此，在技术上，尽量降低重稀土在永磁体中的比例。
在商务上，让稀土回归一个合理的价格。

这是我觉得最合理的方式，比较来说，永磁机确实是最合适的，但是现在价格太高，但是高的并不正常，有点儿离谱了，这不符合价值规律。稀土是应该涨价，但是并不是没有道理的涨，重稀土可以涨，因为真的少。但是轻稀土不是。我们国家有这个资源，如果不用的话，那是不是浪费呢？就好象我们自己有铜，但我们说铜总有一天会用完的，因此，我们用铁来当做线圈。。。

另外，开关磁阻是一个好的方案，只是不够成熟，所以现在只能探讨，却没法真正批量应用。

lijo

I′m no expert on EV, but I think the IM is widely used on trains..., Why it is not suitable for urban conditions?, What is the problem? can be solved from the point of view of machine design or the driver design ?????????


“Toyota Tries to Break Reliance on China”, Company Seeks to Develop Electric Motor Without Costly, Tightly Controlled Rare Earth Metals
h t t p : / / online.wsj.com/article/SB10001424052748703583404576080213245888864.html

"Nikola Tesla's revenge”, The car industry’s effort to reduce its dependence on rare-earth elements has prompted a revival in the fortunes of an old-fashioned sort of electric motor
h t t p : / / w w w .economist.com/node/18750574

Motors with Reduced or Eliminated Use of Rare Earth Permanent Magnets for Advanced EDV Electric Traction Drives
h t t p : / / w w w .cleancitieseastbay.org/DOE-Funding-opp-12-16-10.sflb.pdf

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回复 3# lyftcl
在全世界范围内，是稀土的储量多还是石油储量多？不要看中国的稀土给中国用是用不完的，给世界用，能比得上石油吗？石油已经用了100年了，今后还要用多少年？已经很危险了。中国的稀土，是指钕铁硼磁材用的稀土和锂，够全世界造汽车的规模，能够用多少年？
我的意思是：应该在产业上有长远眼光。电动汽车是个大规模的工业，应该在资源选择上有长远考虑，不要等锂电池技术技术成熟了，永磁同步电机增速技术也成熟了，锂资源和钕资源也枯竭了，然后再去搞新的电池技术和永磁体技术，那样是很费劲的。
当然，如果愿意跟着外国走，那感觉就像大人领着孩子玩，孩子不用操心买单的事，当然日子可以过得很愉快。

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回复 3# lyftcl
我国轻稀土矿产资源采矿、选矿业现状及问题王国珍  刘余九  卢忠效  
【摘要】：正 1 世界稀土资源世界稀土资源丰富,稀土在地壳内含量比人们熟悉的铅、锌多,大大超过金和铂的含量。虽然稀土绝对量很大,但分布很不均匀,已知含稀土矿物约有250种,但已开采利用的仅10几种。轻稀土矿物原料主要有氟碳铈矿、独居石、铈铌钙钛矿;重稀土矿物原料主要有磷钇矿、褐钇铌矿、离子吸附型稀土矿、钛铀矿等。据美国地质调查局统计,2003年世界稀土矿山生产量、储量和储量基础分别为8800万吨和15000万吨(REO),见表1。
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2006年储量：世界各国的石油储量排名
　　从储量上看，世界上排名前10名的国家和地区依次是：
　　第一名：沙特阿拉伯，362亿吨；
　　第二名：加拿大，184亿吨；
　　第三名：伊朗，181亿吨；
　　第四名：伊拉克，157亿吨；
　　第五名：科威特，138亿吨；
　　第六名：阿联酋，126亿吨；
　　第七名：委内瑞拉，109亿吨；
　　第八名：俄罗斯，82亿吨；
　　第九名：利比亚，54亿吨；
　　第十名：中国，50亿吨。
　　2007年5月6日，中石油公司宣布在河北发现10亿吨大油田-冀东南堡油田，我国的石油储量由50亿吨增至60亿吨，排名由第十位，升至第九位。
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3楼关于我国轻稀土资源的论点似乎值得商榷。对比一下石油储量，可以看出问题。

张老五

先说说电机
以前看上去似乎是永磁电机要一统电动汽车的天下了，但这稀土一涨价，立马分歧就出来了。
也许，本来稀土永磁一条路就是有问题的，电动汽车，本来就应该有多种选择。
个人以为，在稀土维持目前价位的条件下，只要没有大幅度降价，稀土永磁就不可能一统天下。铁氧体也不太可能回归，原因么，前面已经说过了，磁能积相关太大，而汽车电机又是一个对体积要求比较高的场合。
可能到时候会有几种不同的路线，比如客车，可能是异步电机为主，反正客车地方大，电机大点了也无妨。轿车么就比较复杂了，那些稀土来源受限制的国家，可能会重点发展开关磁阻电机。而如中国和美国这样稀土资源有保证的，可能会在继续稀土永磁，还是电励磁或者混合励磁上有不同的看法。

张老五

回复 2# accnet


“    锂钠钾同属外层单电子的结构，估计盐类性质也相似。”

虽然电池我是不懂的，不同这样的推理是不是也太随便了一点？建议发展钠钾钙电池，怎么着也得先确定，这几样东西能够做电池吧？

accnet

回复 8# 张老五
钠电池已经有了，请看：
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日本开发出新型钠离子蓄电池 2011年03月04日
新华网东京３月４日电（记者何德功）据《日本经济新闻》４日报道，住友电气工业公司成功开发出一种新型钠离子蓄电池，价格仅为现有日本产电动车锂电池的十分之一，且易于小型化。该公司计划在２０１５年将这一产品推向市场。
　　据住友电气工业公司介绍，公司与京都大学合作开发出能在更低温度使用的钠材料，使用这种材料的新型电池能源密度（用来显示电池的持续性能）是普通锂电池的２倍，使用这一新型电池的电动车行驶距离是搭载相同体积的锂电池车辆的２倍。同时，由于新型钠离子电池全部使用不可燃材料，因此耐高温和抗冲击性能更强。
　　住友电气工业公司计划优先将这种新型电池技术应用在长距离行驶的电动公交车和住宅发电上。目前，该公司的大阪制作所正进行相关产品的验证实验。
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以及
中美学者合作开发钠离子充电电池 2011年07月20日为将太阳能和风能产生的电能并入电网，管理人员需要就近在太阳能和风能发电厂安装可大量储存电能的电池。常见的用于电子消费品和电动汽车上的锂离子充电电池具有良好的储电能力，但是由于价格昂贵而无法大量生产和应用。钠离子用于充电电池是另一个最好的选择，不过目前钠硫电池运行温度为300摄氏度，相当于水沸点温度的3倍，这使得钠硫电池既不节能又不安全。而研究人员的目标是要采用廉价的钠同时使用锂离子充电电池中的电极。最近，通过对电极材料进行恰当的高温处理，研究人员开发出了能提高钠离子充电电池电能和寿命的方法，从而有望让钠离子充电电池成为替代电网中用于大规模储存电能的廉价的新途径。
　　寻找到新方法的是美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家和来自中国武汉大学访问学者组成的研究小组。在西北太平洋国家实验室化学家刘军(音译)和武汉大学化学家曹玉良(音译)的领导下，研究人员利用纳米材料制作出了能够用于钠离子充电电池的电极。刘军表示，钠离子电池使用食盐中的钠离子成分并在室温下工作，这将使得充电电池更为廉价且更加安全。
　　高温处理让电极材料中看又中用
　　锂充电电池中的电极由氧化锰材料制成，其材料中原子之间存在许多小孔和通道。当电池在放电或充电时，锂离子能够在小孔和通道中穿行。事实上，锂离子的这种自由运动保证了电池电能的储存或释放。不过，简单地用钠离子取代锂离子则无法正常工作，因为钠离子比锂离子大70%，它们无法在氧化锰原子间的小孔和通道中自由穿行。
　　在寻求增大氧化锰材料中原子小孔和通道的途径时，研究人员将注意力转向了更小的物质——具有独特性能的纳米材料。在研究探索中，研究人员将两种不同种类的氧化锰原子基础材料混合起来，一种的原子排列成金字塔状，两个金字塔结构的基底结合在一起后形同钻石；另一种的原子排列为正八面体。他们期望混合材料最终能形成大的S形通道和更小的五边形通道，以便让钠离子通过。为此，研究人员将混合的材料经过450摄氏度至900摄氏度的高温处理，然后分析处理后的结果，并检测何种温度处理效果最佳。利用扫描电子显微镜，他们发现，不同的温度下获得的材料的品质也不相同。750摄氏度处理后的氧化锰形成了最佳的晶体，温度低时晶体看上去很古怪，温度高时晶体成较大的平板状。

　　借助美国能源部所属环境分子学实验室的透射电子显微镜，研究人员观察到，经过600摄氏度处理的氧化锰混合物形成的纳米导线上有妨碍钠离子运动的凹坑，750摄氏度处理后的混合物纳米导线均匀和透明。
　　然而，对研究人员而言，即使是最上相的材料，如果不能满足工作的需要，那么它也只不过是装饰品。为了解经过高温处理后获得的氧化锰纳米晶体是否既中看又中用，他们将其制成电极放入含有能帮助氧化锰电极形成电流的钠离子的溶液中，然后不断地对实验用电池进行充电和放电测试。
　　输出峰值电量大增且可循环充电
　　在对用混合氧化锰纳米材料为电极的实验电池进行的放电测试中，研究人员测量到的每克电极材料峰值电量为每小时128毫安，此结果超过了过去其他研究人员完成的实验。在以往的实验中，曾测量到峰值电量为80毫安时的结果，据悉，该电池也采用了氧化锰电极，但电极的生产方式不同。研究人员认为，过去实验出现较低峰值电量的原因是由于钠离子导致氧化锰结构发生变化，而在经过高温处理后的纳米氧化锰电极中，氧化锰的结构不会或很少发生变化。
　　除输出高峰值电量外，高温处理后获得的氧化锰纳米电极材料能够让电池保持充/放电循环能力，这在商业应用中十分重要。研究人员发现，经过750摄氏度处理获得的电极材料效果最好，在100次充/放电循环后，电池电量仅减少7%。而经过600摄氏度和900摄氏度处理后的材料，在相同的情况下电量损失率分别为37%和25%。同时，即使是在1000次充/放电循环后，采用750摄氏度处理后的材料制作电极的电池电量仅比最初的电量下降了23%。对此，研究人员认为此纳米电极材料具有良好的工作性质。
　　此外，在对实验电池以不同速度进行充电的测试中，研究人员注意到充电速度越快，电池能保存的电力越少。这说明充电速度能够影响电池的储电能力。在快速充电时，钠离子并不能以足够快的速度进入电极通道并将它们填满。
　　为解决钠离子移动速度慢的问题，研究人员设想今后制作尺寸更小的纳米导线来加速充/放电过程。电网中的电池需要快速充电，这样它们才能够尽可能地储存从可再生能源那里获得的电能。同时，它们也需要具有快速放电的能力，以便满足电力消费者在打开空调和电视甚至为电动汽车充电时的需求。
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上述两个科技新闻内容，都可以以钠电池为搜索词在网上搜得。我对电池也不懂，前面的帖子所表述的也只是猜测。这并非是指将锂电池中的电解液换为钠离子的就可以了，而是基于一般化学知识的推测。

accnet

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基本上可以肯定是国产的，但是否是真的钠离子电池，待考。
钠电池和锂电池如果采用相同的电极材料，那么区别就在于离子尺寸。我发上面的帖子，实际上就是期望借鉴锂离子电池的技术思路，提倡开发和研究钠离子电池。

张老五

回复 9# accnet


    性能那么好，为啥到等到2015年？

accnet

回复 11# 张老五
那只有开发人员才知道。你别急嘛，也许他们是有战略布局的原因呢。

发脾气的猪

稀土是用不完的！这话不合政策，不公开讲。

尤其轻稀土，几百年没有问题。即使是重稀土Dy,Tb之类的，用上几十年没有问题，而不用等几十年新的磁性材料就会诞生，重稀土可能也用不上或不用这么多了。

另外，做为新能源汽车用磁体，一个重要事项一般没人提，但绝不要漏掉：磁体回收利用，这个对汽车业和单台电机用量来说不是难事，在这个稀土价格高启的年代连稀土生产车间的粉尘都收集再利用了。

张老五

回复 13# 发脾气的猪


    关于磁体回收利用，上次某论坛上听唐院士讲，回收以后的磁体，再制造后，等级是要降低的

pat

回复 4# lijo


    Thanks to lijo,

In the EVs or HEVs, we must consider the Whole Efficiency, so not only EM's efficiency, but also driving cycle should be focused on, such as the same EV, if uban driving cycle is taken, the operation spots are as follows:


and if the US Highway driving cycle is taken, the EM's operation spots will be:

US06 Hw

compair the two fig. we can see under highway cycle, the EM will operate more in higher effic. area, so the whole effic. will be higher too.
Because the higher efficiency area of PMSM is larger than IM, so for urban cycle, PM machine is more favable!

accnet

回复 13# 发脾气的猪 稀土毕竟是稀土，决定了它在中国储量大，在世界储量并不大。除了铁氧体，还没见哪种永磁体不采用稀土，因此再新出一个新永磁体技术，不采用稀土的可能性估计很小。更何况我们在大量开采钕资源时，可能糟蹋了其他稀土资源，而未来的永磁体技术也许正好就用这个被目前糟蹋过的稀土，那就追悔莫及了。因为现在大家的商业目光只盯着钕，谁去照管与钕共生且被一起挖出来的其他稀土呢。
我估计，目前宣扬电动汽车，实际上是在为资本控制石油定价权找借口，目的是以垄断价格赚全世界的钱。出于这种目的，那些倡导电动汽车发展的国家，当然不希望电机和电池技术建立在能够稳定发展、“长治久安”的技术基础之上。我这只是估计，说出来只是给大家提个醒，大家别为此费口水。但即使如此，我们也要以精诚的热情，认真开发电机和电池技术，这样才能扭转我国对外购石油的依赖，在能源战略上打出一片天地。

lijo

回复 15# pat
Pat, thanks you for your quick response, a question, What software you use for create the maps?

pat

回复 17# lijo


    Advisor, a backward vehicle simulation software based on MATLAB/Simulink.