Каква е специфичната роля на Ndfeb магнитите в двигателите на електрически превозни средства? Защо да не изберем други магнитни материали?

1. Основна функция на NdFeB магнитите в електрическите двигатели

NdFeB (неодим-желязо-бор) магнитите са незаменими в тяговите двигатели на електрически превозни средства (EV) поради несравнимите си магнитни свойства. Тези магнити служат като роторни компоненти в синхронните двигатели с постоянни магнити (PMSM), които са доминиращата технология в задвижващите агрегати на електрическите превозни средства. Основните им роли включват:

1.1 Високо съотношение въртящ момент към тегло

NdFeB магнитите генерират най-силните магнитни полета сред всички материали за постоянни магнити, с максимален енергиен продукт (BHmax) над 400 kJ/m³. Това позволява на електрическите двигатели да произвеждат висок въртящ момент при ниски скорости на въртене (RPM), което е от решаващо значение за бързото ускорение и ефективното шофиране с ниска скорост. Например, типичен тягов двигател на електрическо превозно средство консумира  1–2 кг NdFeB магнити , но въпреки това осигурява плътност на въртящия момент 3–5 пъти по-високи от асинхронните двигатели с подобен размер.

1.2 Компактен и лек дизайн

Изключителната магнитна сила на NdFeB позволява по-малки размери на двигателя. PMSM, използващ NdFeB магнити, може да постигне същата изходна мощност като асинхронен двигател, като същевременно е...  30–50% по-лек и 40–60% по-малък . Тази компактност намалява теглото на автомобила, подобрява енергийната ефективност и удължава пробега.—критичен фактор за приемането на електрическите превозни средства. Например, замяната на феритни магнити с NdFeB в двигател може да намали обема му с  60%  и тегло от  65% , макар и с компромиси по отношение на цената и термичната стабилност.

1.3 Висока енергийна ефективност

PMSM на базата на NdFeB елиминират необходимостта от външни системи за възбуждане (напр. роторни намотки в асинхронни двигатели), намалявайки загубите на енергия от нагряване на мед и желязо. Това води до  95–97% ефективност  в широк диапазон на скоростта, в сравнение с 90–92% за асинхронни двигатели. Повишената ефективност се изразява в по-дълъг живот на батерията и намалени експлоатационни разходи, особено при градско шофиране с често спиране и потегляне.

2. Защо NdFeB превъзхожда алтернативните магнитни материали

Докато други магнити като ферит, алнико и самарий-кобалт (SmCo) се използват в нишови приложения, NdFeB доминира в електромобилите поради превъзходното си съотношение производителност-цена.

2.1 Сравнение с феритни магнити

• Магнитна сила Феритните магнити имат BHmax от  8–16 kJ/m²³ , по-малко от 5% от NdFeB’капацитет. За да съответства на NdFeB’въртящ момент, мотор на феритна основа би трябвало да бъде  6–10 пъти по-голям , което го прави непрактично за електрически превозни средства.
• Термична стабилност Феритните магнити са устойчиви на размагнетизиране при високи температури, но им липсва силата, за да позволят компактни конструкции на двигатели. Те обикновено се използват в евтини, нископроизводителни приложения, като например двигатели на чистачките на предното стъкло.

2.2 Сравнение с алнико магнити

• Магнитна сила Алнико магнити (BHmax:  10–50 kJ/m²³ ) са по-слаби от NdFeB и са склонни към размагнетизиране при механично напрежение или обратни полета. Те рядко се използват в съвременните електрически превозни средства поради големия си размер и чувствителността към условията на работа.

2.3 Сравнение с SmCo магнити

• Термична производителност SmCo магнити (BHmax:  200–260 kJ/m³³ ) запазват свойствата си при температури до  350°C , превъзхождайки NdFeB (който се разгражда по-горе  150–200°C ). Въпреки това, SmCo е  3–5 пъти по-скъпо  от NdFeB и има по-ниска магнитна сила, което ограничава употребата му до нишови приложения с висока температура, като например аерокосмически двигатели.
• Чувствителност към разходите Електромобилната индустрия дава приоритет на рентабилните решения. NdFeB’Балансът между производителност и достъпна цена го прави избор по подразбиране, въпреки топлинните му ограничения.

3. Преодоляване на NdFeB’Ограничения

Въпреки че NdFeB магнитите са оптимални за повечето приложения на електрически превозни средства, тяхната чувствителност към температура и корозия изисква стратегии за смекчаване на въздействието им.:

3.1 Термично управление

• Покритие и легиране Добавянето на диспрозий (Dy) или тербий (Tb) към NdFeB увеличава неговата коерцитивност (устойчивост на размагнетизиране) и температурата на Кюри (точката, в която магнитните свойства се губят). Например, магнитите клас N52H (с Dy) поддържат производителност при  180°C , подходящ за високопроизводителни електрически превозни средства.
• Дизайн на мотори Системите за течно охлаждане и оптимизираният въздушен поток предотвратяват прекомерното натрупване на топлина в двигателя, предпазвайки магнитите.

3.2 Устойчивост на корозия

• Повърхностни покрития NdFeB магнитите са покрити с никелови, епоксидни или композитни слоеве, за да предпазят от влага и химикали. Например, тройнослойното Ni-Cu-Ni покритие удължава живота на магнита до  30–50 години  в сухи среди и  1000+ часа  при тестове със солена мъгла.
• Свързани NdFeB магнити Тези варианти смесват NdFeB прах със смола или пластмаса, което елиминира необходимостта от последваща обработка и подобрява устойчивостта на корозия. Те се използват в спомагателни двигатели (напр. електрически прозорци, охлаждащи вентилатори), където високата магнитна сила е по-малко критична.

4. Бъдещи тенденции и алтернативи

Въпреки че NdFeB остава доминиращ, изследванията на магнити без редкоземни елементи (напр. MnBi, Ferrite-Nano) целят да намалят зависимостта от критични материали. Тези алтернативи обаче в момента изостават по отношение на производителността:

• MnBi магнити Оферта  60–70%  от NdFeB’въртящ момент, но изисква  60% по-голям  двигатели, увеличавайки теглото и цената на превозното средство.
• Асинхронни двигатели Използвани в някои електрически превозни средства (напр. заден двигател на Tesla Model 3), те избягват редкоземните елементи, но жертват ефективността и плътността на въртящия момент.

5. Заключение

NdFeB магнитите са крайъгълният камък на съвременните тягови двигатели за електрически превозни средства, благодарение на несравнимата им магнитна сила, компактност и ефективност. Въпреки че съществуват алтернативи като ферит, алнико и SmCo, те не успяват да се сравнят с NdFeB.’съотношение производителност-цена за масови приложения. Текущите постижения в термичната стабилизация и устойчивостта на корозия ще втвърдят допълнително NdFeB.’ролята на в революцията на електрическите превозни средства, осигурявайки по-леки, по-ефективни и устойчиви превозни средства за бъдещето.