ما هو الدور المحدد لمغناطيسات Ndfeb في محركات السيارات الكهربائية؟ لماذا لا نختار مواد مغناطيسية أخرى؟

1. الوظيفة الأساسية لمغناطيسات NdFeB في محركات السيارات الكهربائية

تُعد مغناطيسات NdFeB (نيوديميوم-حديد-بورون) ضرورية في محركات الجر الخاصة بالمركبات الكهربائية نظرًا لخصائصها المغناطيسية الفريدة. تخدم هذه المغناطيسات كمكون دوار في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs)، وهي التكنولوجيا السائدة في أنظمة نقل الحركة للسيارات الكهربائية. وتشمل أدوارهم الأساسية ما يلي::

1.1 نسبة عزم الدوران إلى الوزن عالية

تولد مغناطيسات NdFeB أقوى المجالات المغناطيسية بين جميع المواد المغناطيسية الدائمة، مع منتج طاقة أقصى (BHmax) يتجاوز 400 كيلو جول/متر³. يتيح هذا لمحركات السيارات الكهربائية إنتاج عزم دوران مرتفع عند سرعات دوران منخفضة (RPM)، وهو أمر بالغ الأهمية للتسارع السريع والقيادة الفعالة بسرعات منخفضة. على سبيل المثال، يستهلك محرك الجر الكهربائي النموذجي  1–2 كجم من مغناطيسات NdFeB ، ومع ذلك توفر كثافات عزم الدوران 3–أعلى بخمس مرات من المحركات الحثية ذات الحجم المماثل.

1.2 تصميم صغير الحجم وخفيف الوزن

تسمح القوة المغناطيسية الاستثنائية لـ NdFeB بأبعاد أصغر للمحرك. يمكن لـ PMSM باستخدام مغناطيسات NdFeB تحقيق نفس خرج الطاقة مثل المحرك الحثي أثناء  30–أخف وزنا بنسبة 50% 40–أصغر بنسبة 60% . يؤدي هذا التصميم المدمج إلى تقليل وزن السيارة وتحسين كفاءة الطاقة وتوسيع نطاق القيادة—عامل حاسم في اعتماد السيارات الكهربائية. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استبدال مغناطيسات الفريت بـ NdFeB في المحرك إلى تقليل حجمه بمقدار  60%  والوزن حسب  65% ، على الرغم من وجود مقايضات في التكلفة والاستقرار الحراري.

1.3 كفاءة عالية في استخدام الطاقة

إن PMSMs القائمة على NdFeB تقضي على الحاجة إلى أنظمة الإثارة الخارجية (على سبيل المثال، لفائف الدوار في المحركات الحثية)، مما يقلل من خسائر الطاقة الناتجة عن تسخين النحاس والحديد. وهذا يؤدي إلى  95–كفاءة 97%  عبر نطاق واسع من السرعة، مقارنة بـ 90–92% للمحركات الحثية. وتترجم مكاسب الكفاءة إلى عمر أطول للبطارية وتكاليف تشغيل أقل، وخاصة أثناء القيادة في المناطق الحضرية المتقطعة.

2. لماذا يتفوق NdFeB على المواد المغناطيسية البديلة

في حين يتم استخدام المغناطيسات الأخرى مثل الفريت، وألنيكو، وساماريوم الكوبالت (SmCo) في تطبيقات متخصصة، يهيمن NdFeB على محركات السيارات الكهربائية بسبب نسبة الأداء إلى التكلفة المتفوقة.

2.1 مقارنة مع مغناطيسات الفريت

• القوة المغناطيسية :تتمتع مغناطيسات الفريت بـ BHmax  8–16 كيلوجول/متر³ ، أقل من 5% من NdFeB’سعة. لمطابقة NdFeB’عزم الدوران، سيحتاج المحرك القائم على الفريت إلى  6–أكبر بعشر مرات مما يجعلها غير عملية بالنسبة للسيارات الكهربائية.
• الاستقرار الحراري :تقاوم مغناطيسات الفريت إزالة المغناطيسية في درجات الحرارة العالية ولكنها تفتقر إلى القوة اللازمة لتمكين تصميمات المحركات المدمجة. تُستخدم عادةً في التطبيقات منخفضة التكلفة ومنخفضة الأداء مثل محركات مساحات الزجاج الأمامي.

2.2 مقارنة مع مغناطيسات ألنيكو

• القوة المغناطيسية : مغناطيسات ألنيكو (BHmax:  10–50 كيلوجول/متر³ ) أضعف من NdFeB وعرضة لإزالة المغناطيسية تحت الضغط الميكانيكي أو المجالات العكسية. ونادرا ما يتم استخدامها في السيارات الكهربائية الحديثة بسبب حجمها وحساسيتها لظروف التشغيل.

2.3 مقارنة مع مغناطيسات SmCo

• الأداء الحراري : مغناطيسات SmCo (BHmax:  200–260 كيلوجول/متر³ ) تحتفظ بخصائصها في درجات حرارة تصل إلى  350°C ، متفوقًا على NdFeB (الذي يتدهور فوق  150–200°C ). ومع ذلك، فإن SmCo هي  3–أغلى بخمس مرات  إن مادة NdFeB أقوى من NdFeB ولديها قوة مغناطيسية أقل، مما يحد من استخدامها في التطبيقات المتخصصة ذات درجات الحرارة العالية مثل محركات الطيران.
• حساسية التكلفة :تعطي صناعة المركبات الكهربائية الأولوية للحلول الفعالة من حيث التكلفة. نيوديميوم-حديد-بورون’إن التوازن بين الأداء والقدرة على تحمل التكاليف يجعله الخيار الافتراضي، على الرغم من القيود الحرارية.

3. التغلب على NdFeB’القيود

في حين أن مغناطيسات NdFeB هي الأمثل لمعظم تطبيقات السيارات الكهربائية، إلا أن حساسيتها لدرجات الحرارة والتآكل تتطلب استراتيجيات تخفيف:

3.1 الإدارة الحرارية

• الطلاء والسبائك :إن إضافة الديسبروسيوم (Dy) أو التربيوم (Tb) إلى NdFeB يؤدي إلى زيادة قوته القسرية (مقاومة إزالة المغناطيسية) ودرجة حرارة كوري (النقطة التي تفقد عندها الخصائص المغناطيسية). على سبيل المثال، تحافظ مغناطيسات الدرجة N52H (مع Dy) على الأداء عند  180°C ، مناسبة للسيارات الكهربائية عالية الأداء.
• تصميم المحرك :تعمل أنظمة التبريد السائل وتدفق الهواء الأمثل على منع تراكم الحرارة الزائدة في المحرك، مما يحمي المغناطيسات.

3.2 مقاومة التآكل

• الطلاءات السطحية :يتم طلاء مغناطيس NdFeB بطبقات من النيكل أو الإيبوكسي أو المركبات للحماية من الرطوبة والمواد الكيميائية. على سبيل المثال، يعمل طلاء Ni-Cu-Ni ثلاثي الطبقات على إطالة عمر المغناطيس إلى  30–سنين50  في البيئات الجافة و  أكثر من 1000 ساعة  في اختبارات الضباب الملحي.
• مغناطيسات NdFeB الملتصقة :تخلط هذه المتغيرات مسحوق NdFeB مع الراتنج أو البلاستيك، مما يلغي الحاجة إلى المعالجة اللاحقة ويحسن مقاومة التآكل. يتم استخدامها في المحركات المساعدة (على سبيل المثال، نوافذ الطاقة، ومراوح التبريد) حيث تكون القوة المغناطيسية العالية أقل أهمية.

4. الاتجاهات المستقبلية والبدائل

في حين تظل مادة NdFeB هي المهيمنة، فإن الأبحاث في مجال المغناطيسات الخالية من العناصر الأرضية النادرة (على سبيل المثال، MnBi، Ferrite-Nano) تهدف إلى تقليل الاعتماد على المواد الحيوية. ومع ذلك، فإن هذه البدائل تتخلف حاليًا في الأداء:

• مغناطيسات MnBi : يعرض  60–70%  من NdFeB’عزم الدوران ولكن يتطلب  أكبر بنسبة 60%  المحركات، مما يؤدي إلى زيادة وزن السيارة وتكلفتها.
• المحركات الحثية :تستخدم في بعض المركبات الكهربائية (على سبيل المثال، المحرك الخلفي لسيارة Tesla Model 3)، وهي تتجنب العناصر الأرضية النادرة ولكنها تضحي بالكفاءة وكثافة عزم الدوران.

5. خاتمة

تشكل مغناطيسات NdFeB حجر الأساس لمحركات الجر الكهربائية الحديثة نظرًا لقوتها المغناطيسية التي لا مثيل لها وحجمها الصغير وكفاءتها. في حين أن البدائل مثل الفريت، وألنيكو، وSmCo موجودة، إلا أنها تفشل في مطابقة NdFeB’نسبة الأداء إلى التكلفة للتطبيقات السائدة. إن التقدم المستمر في التثبيت الحراري ومقاومة التآكل سوف يعمل على تعزيز NdFeB بشكل أكبر’تلعب شركة تويوتا دوراً هاماً في ثورة المركبات الكهربائية، من خلال ضمان إنتاج مركبات أخف وزناً وأكثر كفاءة واستدامة للمستقبل.