从500克到0克:特斯拉Cybercab电机为何盯上稀土难题

一台电机里稀土用量从Model Y大约500克降到Cybercab为零;但是续航没有因此而减小。

这不是简单的“少用一点材料”。马斯克在之前于X上转发过特斯拉相关的动态之后认为,Cybercab的电机并不包含任何稀土金属,但是保持了同样的续航里程,并且这件事情是极难做到的。

从500克到0克:特斯拉Cybercab电机为何盯上稀土难题-有驾

难点正是电动车最看重的效率、体积和成本这三个方面与强力永磁体紧密相连。没有稀土的电机是否可以将这些优势全部留下来呢?

目前所了解到的信息中Cybercab的目的就不仅仅是去掉稀土材料,而且要把制造环节一并重新做一遍。

特斯拉追踪者Sawyer Merritt透露其驱动单元采用的是更加简单的发卡式定子,再配合新的润滑方式,在自动化产线内完成一套驱动单元的节拍被压缩到10秒以内。

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因此电机不但是能造的,更是要适合大规模、高效率地造的。对于未来重视低成本和高产量车型来说,生产速度就是产品的竞争力之一。

另外有媒体报道说碳化硅半导体使用量减少了75%,电机生产线占地缩小了一半,一套驱动单元预计可以节约1000美元左右。

每一个数字都会在整车上产生影响,并且会影响到车辆定价以及产能爬坡的速度。

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从手机、耳机的角度来说,钕磁铁使设备变小的同时又不会减低性能。从汽车电机角度来说,永磁体可以减少部分电磁结构从而提高效率和功率密度。

稀土名称容易引起误解,它们并不一定地壳中非常稀少,在真正困难的地方是分离、提取以及精炼。这个元素家族的成员各不相同,但是磁性和导电特性使得它们成为现代工业的重要材料。

2017年钕铁硼磁铁市场的实际价值已经达到了113亿美元。

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伴随着电动车数量的增长,市场对于钕的需求也持续被推高;曾有预测称几十年之后美国道路上会行驶超过一百万辆的电动车,需求上升的同时也会出现每年约2000到3000吨的供需缺口。

供应集中才是导致这件事情变得特别敏感的原因。

截止到21世纪初叶之前,全球80%以上的钕都来自中国。仅在21世纪初期的时候,中国开采稀土就有过一次超过一万吨的情况发生;但是过去二十年中美国的总产量只有不到4.3万吨左右。

但是稀土产业的格局并不是一直如此。位于美国南加州、靠近内华达州边界的帕斯山矿,曾经是全球最重要的单一稀土矿,在上世纪60年代和70年代一度处于全球主导地位。

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2018年初美国想对中国商品加征关税的时候,在稀土被纳入名单的问题上已经出现了一些变数。最初的2000亿美元商品清单里,钕和其他稀土金属也是其中的一部分;最后所涉及的600多种中国产品中,钕和稀土金属却被排除在外了。

由此可见,稀土对美国经济的重要性是不能忽视的。也正因此,在后来的本土化过程中再次推动本国矿业发展。加州芒廷帕斯矿摆脱破产困境之后被两家美国公司收购,相关投资机构为MP Materials,并提出重建美国稀土产业的目标。

当时MP Materials仍然要把材料运送到中国进行进一步的精炼工作。

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接近该公司的消息人士曾经说过,该公司计划在18个月内实现对美国国内的完全自给自足。

特斯拉的电机路线其实一直是在寻找材料和效率之间的平衡点。2008年到2017年间它采用的是交流感应电机,是先天不需要稀土的;而到了2017年之后又开始使用内嵌式永磁同步磁阻电机,其效率可以达到97%以上。

特斯拉在投资者大会上公开提出“零稀土”的方向。如今如果Cybercab的方案如披露信息所示,则意味着当年提出的构想已经以具体产品形态落地了。业内对其技术路线也有不少猜测。一个方向就是把磁阻转矩利用得更充分,通过重新设计转子铁芯的槽型以及磁路来使电机更多依靠结构本身产生有效转矩。

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另一个可能是用新的复合磁性材料,比如各向异性高性能铁氧体或者微晶纳米材料代替传统的稀土磁体。还有一种思路就是提高铜填充率,并且配合更加完善的散热和润滑系统,从而克服非稀土磁体在高温、高负荷工况下容易退磁的问题。

如果这些方案可以同时成立,则特斯拉所解决的就不仅仅是某种原料的替换问题,而是一种从电机设计、热管理到制造工艺的整体重构。

但是减少稀土依赖并不等于从此不再需要稀土。传统稀土开采和加工也有其现实代价,即在开采钕的时候会带出其他的元素,有时甚至包括钍或者铀,在此之后还会产生放射性废物的处理问题。因此采矿应该在保证景观以及当地生计不受影响的前提下进行。

就特定区域而言采矿、尽量不影响景观及当地生计这样的事情本来就很难做到。随着需求的增长,更好的工艺、更分散的供应来源,以及从废旧电机中回收钕的合作也仍然有其现实的意义。

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Cybercab电机从约500克到零克的过程,也许不是为了彻底否定稀土而存在的,但是给汽车行业开辟出一条新的路:关键材料不再只依靠单一技术方案来解决。你觉得零稀土电机最先改变的是电动车的价格,还是最先改变整个供应链的选择?

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