نقش خاص آهنرباهای Ndfeb در موتورهای خودروهای الکتریکی چیست؟ چرا مواد مغناطیسی دیگری را انتخاب نکنیم؟

1. عملکرد اصلی آهنرباهای NdFeB در موتورهای EV

آهنرباهای NdFeB (نئودیمیوم-آهن-بور) به دلیل خواص مغناطیسی بی‌نظیرشان، در موتورهای کششی خودروهای الکتریکی (EV) ضروری هستند. این آهنرباها به عنوان جزء روتور در موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) عمل می‌کنند که فناوری غالب در سیستم انتقال قدرت خودروهای برقی هستند. نقش‌های اصلی آنها شامل موارد زیر است:

۱.۱ نسبت گشتاور به وزن بالا

آهنرباهای NdFeB قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی را در بین تمام مواد آهنربای دائمی تولید می‌کنند، با حداکثر حاصلضرب انرژی (BHmax) بیش از 400 کیلوژول بر متر مربع.³. این امر موتورهای خودروهای برقی را قادر می‌سازد تا گشتاور بالایی را در سرعت‌های چرخشی پایین (RPM) تولید کنند، که برای شتاب‌گیری سریع و رانندگی کارآمد در سرعت‌های پایین بسیار مهم است. برای مثال، یک موتور کششی معمولی خودروهای برقی مصرف می‌کند  1–۲ کیلوگرم آهنربای NdFeB با این حال، چگالی گشتاور را ارائه می‌دهد 3–۵ برابر بیشتر از موتورهای القایی با اندازه مشابه.

۱.۲ طراحی جمع و جور و سبک

قدرت مغناطیسی استثنایی NdFeB امکان ساخت موتور با ابعاد کوچک‌تر را فراهم می‌کند. یک PMSM با استفاده از آهنرباهای NdFeB می‌تواند به همان توان خروجی یک موتور القایی دست یابد، در حالی که ...  30–۵۰٪ سبک‌تر و 40–۶۰٪ کوچکتر . این فشردگی وزن خودرو را کاهش می‌دهد، بهره‌وری انرژی را بهبود می‌بخشد و برد رانندگی را افزایش می‌دهد.—یک عامل حیاتی برای پذیرش خودروهای برقی. برای مثال، جایگزینی آهنرباهای فریت با NdFeB در یک موتور می‌تواند حجم آن را به میزان ... کاهش دهد.  60%  و وزن بر حسب  65% البته با در نظر گرفتن هزینه و پایداری حرارتی.

۱.۳ بهره‌وری بالای انرژی

PMSM های مبتنی بر NdFeB نیاز به سیستم های تحریک خارجی (مثلاً سیم پیچ های روتور در موتورهای القایی) را از بین می برند و باعث کاهش تلفات انرژی ناشی از گرمایش مس و آهن می شوند. این منجر به  95–۹۷٪ راندمان  در طیف وسیعی از سرعت، در مقایسه با 90–۹۲٪ برای موتورهای القایی. افزایش بهره‌وری به معنای افزایش عمر باتری و کاهش هزینه‌های عملیاتی، به‌ویژه در رانندگی‌های شهری با توقف و حرکت مداوم، است.

2. چرا NdFeB از مواد مغناطیسی جایگزین بهتر عمل می‌کند؟

در حالی که آهنرباهای دیگری مانند فریت، آلنیکو و ساماریوم-کبالت (SmCo) در کاربردهای خاص استفاده می‌شوند، NdFeB به دلیل نسبت عملکرد به هزینه برتر، در موتورهای EV غالب است.

۲.۱ مقایسه با آهنرباهای فریت

• قدرت مغناطیسی آهنرباهای فریت دارای BHmax هستند.  8–۱۶ کیلوژول بر متر مربع³ ، کمتر از 5٪ NdFeB’ظرفیت. برای مطابقت با NdFeB’گشتاور، یک موتور مبتنی بر فریت باید  6–۱۰ برابر بزرگتر که آن را برای خودروهای برقی غیرعملی می‌کند.
• پایداری حرارتی آهنرباهای فریت در دماهای بالا در برابر مغناطیس‌زدایی مقاومت می‌کنند، اما فاقد استحکام لازم برای طراحی موتورهای جمع‌وجور هستند. آنها معمولاً در کاربردهای کم‌هزینه و کم‌عملکرد مانند موتورهای برف‌پاک‌کن شیشه جلو استفاده می‌شوند.

۲.۲ مقایسه با آهنرباهای آلنیکو

• قدرت مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو (BHmax):  10–۵۰ کیلوژول بر متر مربع³ ) از NdFeB ضعیف‌تر هستند و تحت تنش مکانیکی یا میدان‌های معکوس مستعد مغناطیس‌زدایی هستند. آنها به دلیل حجم زیاد و حساسیت به شرایط عملیاتی، به ندرت در خودروهای برقی مدرن استفاده می‌شوند.

۲.۳ مقایسه با آهنرباهای SmCo

• عملکرد حرارتی آهنرباهای SmCo (BHmax):  200–۲۶۰ کیلوژول بر متر مربع³ ) خواص خود را در دماهای تا  350°C ، عملکرد بهتری نسبت به NdFeB (که در دمای بالاتر از ... تخریب می‌شود) دارد  150–200°C ). با این حال، SmCo است  3–۵ برابر گران‌تر  نسبت به NdFeB استحکام مغناطیسی کمتری دارد و استفاده از آن را به کاربردهای خاص با دمای بالا مانند موتورهای هوافضا محدود می‌کند.
• حساسیت به هزینه صنعت خودروهای برقی، راهکارهای مقرون‌به‌صرفه را در اولویت قرار می‌دهد. NdFeB’تعادل بین عملکرد و قیمت مناسب، آن را علی‌رغم محدودیت‌های حرارتی‌اش، به انتخاب پیش‌فرض تبدیل می‌کند.

3. غلبه بر NdFeB’محدودیت‌ها

اگرچه آهنرباهای NdFeB برای اکثر کاربردهای خودروهای برقی بهینه هستند، اما حساسیت آنها به دما و خوردگی نیاز به استراتژی‌های کاهش دارد.:

۳.۱ مدیریت حرارتی

• پوشش‌دهی و آلیاژسازی افزودن دیسپروزیم (Dy) یا تربیوم (Tb) به NdFeB باعث افزایش وادارندگی (مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی) و دمای کوری (نقطه‌ای که در آن خواص مغناطیسی از بین می‌رود) آن می‌شود. برای مثال، آهنرباهای گرید N52H (با Dy) عملکرد خود را در ... حفظ می‌کنند.  180°C مناسب برای خودروهای برقی با عملکرد بالا.
• طراحی موتور سیستم‌های خنک‌کننده مایع و جریان هوای بهینه‌شده از افزایش بیش از حد گرما در موتور جلوگیری می‌کنند و از آهنرباها محافظت می‌کنند.

۳.۲ مقاومت در برابر خوردگی

• پوشش‌های سطحی آهنرباهای NdFeB با لایه‌های نیکل، اپوکسی یا کامپوزیت آبکاری می‌شوند تا در برابر رطوبت و مواد شیمیایی محافظت شوند. برای مثال، یک پوشش سه لایه Ni-Cu-Ni طول عمر آهنربا را تا ... افزایش می‌دهد.  30–سال‌ها50  در محیط‌های خشک و  بیش از ۱۰۰۰ ساعت  در آزمایش‌های مه نمکی
• آهنرباهای NdFeB پیوند خورده این انواع پودر NdFeB را با رزین یا پلاستیک مخلوط می‌کنند و نیاز به عملیات تکمیلی را از بین می‌برند و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشند. آنها در موتورهای کمکی (مثلاً شیشه بالابرهای برقی، فن‌های خنک‌کننده) که در آنها قدرت مغناطیسی بالا اهمیت کمتری دارد، استفاده می‌شوند.

4. روندها و جایگزین‌های آینده

در حالی که NdFeB همچنان غالب است، تحقیقات در مورد آهنرباهای عاری از عناصر خاکی کمیاب (مانند MnBi، Ferrite-Nano) با هدف کاهش وابستگی به مواد حیاتی انجام می‌شود. با این حال، این جایگزین‌ها در حال حاضر از نظر عملکرد عقب مانده‌اند:

• آهنرباهای MnBi پیشنهاد:  60–70%  از NdFeB’گشتاور اما نیاز  ۶۰٪ بزرگتر  موتورها، افزایش وزن و هزینه خودرو.
• موتورهای القایی این مواد که در برخی از خودروهای برقی (مثلاً موتور عقب تسلا مدل ۳) استفاده می‌شوند، از عناصر کمیاب دوری می‌کنند، اما راندمان و چگالی گشتاور را از دست می‌دهند.

5. نتیجه‌گیری

آهنرباهای NdFeB به دلیل قدرت مغناطیسی بی‌نظیر، فشردگی و کارایی، سنگ بنای موتورهای کششی خودروهای برقی مدرن هستند. اگرچه جایگزین‌هایی مانند فریت، آلنیکو و SmCo وجود دارند، اما به پای NdFeB نمی‌رسند.’نسبت عملکرد به هزینه برای کاربردهای رایج. پیشرفت‌های مداوم در تثبیت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی، NdFeB را بیشتر تقویت خواهد کرد.’نقش s در انقلاب خودروهای برقی، تضمین خودروهای سبک‌تر، کارآمدتر و پایدارتر برای آینده.