Qual è il ruolo specifico dei magneti NdFeB nei motori dei veicoli elettrici? Perché non scegliere altri materiali magnetici?

1. Funzione principale dei magneti NdFeB nei motori dei veicoli elettrici

I magneti NdFeB (neodimio-ferro-boro) sono indispensabili nei motori di trazione dei veicoli elettrici (EV) grazie alle loro ineguagliabili proprietà magnetiche. Questi magneti fungono da componente del rotore nei motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), che rappresentano la tecnologia dominante nei sistemi di trasmissione dei veicoli elettrici. I loro ruoli principali includono:

1.1 Elevato rapporto coppia/peso

I magneti NdFeB generano i campi magnetici più potenti tra tutti i materiali magnetici permanenti, con un prodotto energetico massimo (BHmax) superiore a 400 kJ/m³. Ciò consente ai motori elettrici di produrre una coppia elevata a basse velocità di rotazione (RPM), fondamentale per un'accelerazione rapida e una guida efficiente a bassa velocità. Ad esempio, un tipico motore di trazione EV consuma  1–2 kg di magneti NdFeB , ma fornisce densità di coppia 3–5 volte superiore rispetto ai motori a induzione di dimensioni simili.

1.2 Design compatto e leggero

L'eccezionale forza magnetica del NdFeB consente di realizzare motori di dimensioni ridotte. Un PMSM che utilizza magneti NdFeB può raggiungere la stessa potenza di uscita di un motore a induzione pur essendo  30–50% più leggero e 40–60% più piccolo . Questa compattezza riduce il peso del veicolo, migliora l'efficienza energetica e aumenta l'autonomia di guida—un fattore critico per l'adozione dei veicoli elettrici. Ad esempio, la sostituzione dei magneti in ferrite con NdFeB in un motore può ridurne il volume di  60%  e peso per  65% , anche se con compromessi in termini di costi e stabilità termica.

1.3 Alta efficienza energetica

I PMSM basati su NdFeB eliminano la necessità di sistemi di eccitazione esterni (ad esempio, avvolgimenti del rotore nei motori a induzione), riducendo le perdite di energia dovute al riscaldamento del rame e del ferro. Ciò si traduce in  95–Efficienza del 97%  su un'ampia gamma di velocità, rispetto a 90–92% per i motori a induzione. I miglioramenti in termini di efficienza si traducono in una maggiore durata della batteria e in costi operativi ridotti, in particolare nella guida urbana con frequenti fermate e ripartenze.

2. Perché NdFeB supera i materiali magnetici alternativi

Mentre altri magneti come la ferrite, l'Alnico e il Samario-Cobalto (SmCo) vengono utilizzati in applicazioni di nicchia, l'NdFeB domina i motori dei veicoli elettrici grazie al suo rapporto prestazioni-costo superiore.

2.1 Confronto con i magneti in ferrite

• Forza magnetica : I magneti in ferrite hanno un BHmax di  8–16 kJ/m³ , meno del 5% di NdFeB’capacità. Per abbinare NdFeB’coppia, un motore basato su ferrite dovrebbe essere  6–10 volte più grande , rendendolo poco pratico per i veicoli elettrici.
• Stabilità termica : I magneti in ferrite resistono alla smagnetizzazione ad alte temperature, ma non hanno la forza necessaria per consentire la progettazione di motori compatti. Vengono solitamente utilizzati in applicazioni a basso costo e basse prestazioni, come i motorini dei tergicristalli.

2.2 Confronto con i magneti Alnico

• Forza magnetica : Magneti Alnico (BHmax:  10–50 kJ/m³ ) sono più deboli di NdFeB e soggetti a smagnetizzazione sotto stress meccanico o campi inversi. Sono raramente utilizzati nei veicoli elettrici moderni a causa del loro volume e della sensibilità alle condizioni operative.

2.3 Confronto con i magneti SmCo

• Prestazioni termiche : Magneti SmCo (BHmax:  200–260 kJ/m³ ) mantengono le loro proprietà a temperature fino a  350°C , superando NdFeB (che si degrada sopra  150–200°C ). Tuttavia, SmCo è  3–5 volte più costoso  rispetto al NdFeB e ha una minore forza magnetica, limitandone l'uso ad applicazioni di nicchia ad alta temperatura come i motori aerospaziali.
• Sensibilità ai costi : Il settore dei veicoli elettrici dà priorità alle soluzioni economicamente vantaggiose. NdFeB’Il suo equilibrio tra prestazioni e convenienza lo rende la scelta predefinita, nonostante i suoi limiti termici.

3. Superare NdFeB’s Limitazioni

Sebbene i magneti NdFeB siano ottimali per la maggior parte delle applicazioni EV, la loro suscettibilità alla temperatura e alla corrosione richiede strategie di mitigazione:

3.1 Gestione termica

• Rivestimento e lega : L'aggiunta di disprosio (Dy) o terbio (Tb) a NdFeB aumenta la sua coercitività (resistenza alla smagnetizzazione) e la temperatura di Curie (il punto in cui le proprietà magnetiche vengono perse). Ad esempio, i magneti di grado N52H (con Dy) mantengono le prestazioni a  180°C , adatto per veicoli elettrici ad alte prestazioni.
• Progettazione del motore : I sistemi di raffreddamento a liquido e il flusso d'aria ottimizzato impediscono l'accumulo eccessivo di calore nel motore, proteggendo i magneti.

3.2 Resistenza alla corrosione

• Rivestimenti superficiali : I magneti NdFeB sono rivestiti con strati di nichel, resina epossidica o compositi per proteggerli dall'umidità e dalle sostanze chimiche. Ad esempio, un rivestimento Ni-Cu-Ni a triplo strato prolunga la durata del magnete a  30–50 anni  in ambienti asciutti e  oltre 1.000 ore  nei test in nebbia salina.
• Magneti NdFeB legati : Queste varianti mescolano la polvere di NdFeB con resina o plastica, eliminando la necessità di post-elaborazione e migliorando la resistenza alla corrosione. Vengono utilizzati nei motori ausiliari (ad esempio, alzacristalli elettrici, ventole di raffreddamento) in cui un'elevata forza magnetica è meno critica.

4. Tendenze future e alternative

Sebbene l'NdFeB rimanga dominante, la ricerca sui magneti privi di terre rare (ad esempio MnBi, Ferrite-Nano) mira a ridurre la dipendenza dai materiali critici. Tuttavia, queste alternative sono attualmente in ritardo nelle prestazioni:

• Magneti MnBi : Offerta  60–70%  di NdFeB’coppia ma richiedono  60% più grande  motori, aumentando il peso e il costo dei veicoli.
• Motori a induzione : Utilizzati in alcuni veicoli elettrici (ad esempio, il motore posteriore della Tesla Model 3), evitano le terre rare ma sacrificano l'efficienza e la densità di coppia.

5. Conclusione

I magneti NdFeB sono la pietra angolare dei moderni motori di trazione dei veicoli elettrici grazie alla loro impareggiabile forza magnetica, compattezza ed efficienza. Sebbene esistano alternative come ferrite, Alnico e SmCo, non riescono a eguagliare NdFeB’rapporto prestazioni-costo per le applicazioni più diffuse. I continui progressi nella stabilizzazione termica e nella resistenza alla corrosione consolideranno ulteriormente NdFeB’il ruolo nella rivoluzione dei veicoli elettrici, garantendo veicoli più leggeri, più efficienti e sostenibili per il futuro.