Wat is de specifieke rol van NdFeB-magneten in motoren van elektrische voertuigen? Waarom niet kiezen voor andere magnetische materialen?

1. Kernfunctie van NdFeB-magneten in EV-motoren

NdFeB (Neodymium-IJzer-Borium) magneten zijn onmisbaar in tractiemotoren van elektrische voertuigen (EV's) vanwege hun ongeëvenaarde magnetische eigenschappen. Deze magneten dienen als rotorcomponent in permanente magneet synchrone motoren (PMSM's), de dominante technologie in aandrijflijnen van elektrische voertuigen. Hun voornaamste taken omvatten::

1.1 Hoge koppel-gewichtsverhouding

NdFeB-magneten genereren de sterkste magnetische velden van alle permanente magneetmaterialen, met een maximaal energieproduct (BHmax) van meer dan 400 kJ/m³. Hierdoor kunnen EV-motoren een hoog koppel leveren bij lage toerentallen (RPM's), wat essentieel is voor snelle acceleratie en efficiënt rijden bij lage snelheden. Een typische elektrische auto-tractiemotor verbruikt bijvoorbeeld  1–2 kg NdFeB-magneten , maar levert toch koppeldichtheden 3–5 keer hoger dan inductiemotoren van vergelijkbare grootte.

1.2 Compact en lichtgewicht ontwerp

De uitzonderlijke magnetische sterkte van NdFeB maakt kleinere motorafmetingen mogelijk. Een PMSM die gebruikmaakt van NdFeB-magneten kan hetzelfde vermogen leveren als een inductiemotor, terwijl  30–50% lichter en 40–60% kleiner . Deze compactheid vermindert het voertuiggewicht, verbetert de energie-efficiëntie en vergroot het rijbereik—een cruciale factor voor de acceptatie van elektrische voertuigen. Door bijvoorbeeld ferrietmagneten in een motor te vervangen door NdFeB kan het volume ervan met  60%  en gewicht door  65% , zij het met afwegingen op het gebied van kosten en thermische stabiliteit.

1.3 Hoge energie-efficiëntie

PMSM's op basis van NdFeB maken externe excitatiesystemen (bijvoorbeeld rotorwikkelingen in inductiemotoren) overbodig, waardoor het energieverlies door verhitting van koper en ijzer wordt verminderd. Dit resulteert in  95–97% efficiëntie  over een breed snelheidsbereik, vergeleken met 90–92% voor inductiemotoren. De hogere efficiëntie resulteert in een langere batterijduur en lagere bedrijfskosten, vooral bij stop-and-go-verkeer in de stad.

2. Waarom NdFeB beter presteert dan alternatieve magnetische materialen

Terwijl andere magneten zoals ferriet, Alnico en Samarium-Cobalt (SmCo) in nichetoepassingen worden gebruikt, domineert NdFeB bij EV-motoren vanwege de superieure verhouding tussen prestatie en kosten.

2.1 Vergelijking met ferrietmagneten

• Magnetische sterkte : Ferrietmagneten hebben een BHmax van  8–16 kJ/m³ , minder dan 5% van NdFeB’s capaciteit. Om te matchen met NdFeB’s koppel zou een ferriet-gebaseerde motor nodig hebben  6–10 keer groter waardoor het onpraktisch is voor elektrische voertuigen.
• Thermische stabiliteit Ferrietmagneten zijn bestand tegen ontmagnetisering bij hoge temperaturen, maar zijn niet sterk genoeg om compacte motorontwerpen mogelijk te maken. Ze worden doorgaans gebruikt in goedkope toepassingen met lage prestaties, zoals ruitenwissermotoren.

2.2 Vergelijking met Alnico-magneten

• Magnetische sterkte : Alnico-magneten (BHmax:  10–50 kJ/m³ ) zijn zwakker dan NdFeB en gevoelig voor demagnetisatie onder mechanische spanning of omgekeerde velden. Ze worden zelden gebruikt in moderne elektrische voertuigen vanwege hun omvang en gevoeligheid voor de bedrijfsomstandigheden.

2.3 Vergelijking met SmCo-magneten

• Thermische prestaties : SmCo-magneten (BHmax:  200–260 kJ/m³ ) behouden hun eigenschappen bij temperaturen tot  350°C , beter presterend dan NdFeB (dat boven de 100% afbreekt)  150–200°C ). SmCo is echter  3–5 keer duurder  dan NdFeB en heeft een lagere magnetische sterkte, waardoor het gebruik ervan beperkt is tot nichetoepassingen met hoge temperaturen, zoals lucht- en ruimtevaartmotoren.
• Kostengevoeligheid :De EV-industrie geeft prioriteit aan kosteneffectieve oplossingen. NdFeB’De balans tussen prestaties en betaalbaarheid maakt het de standaardkeuze, ondanks de thermische beperkingen.

3. NdFeB overwinnen’s Beperkingen

Hoewel NdFeB-magneten optimaal zijn voor de meeste EV-toepassingen, vereist hun gevoeligheid voor temperatuur en corrosie mitigerende strategieën:

3.1 Thermisch beheer

• Coating en legering :Door dysprosium (Dy) of terbium (Tb) aan NdFeB toe te voegen, worden de coërciviteit (weerstand tegen demagnetisatie) en de Curietemperatuur (het punt waarop magnetische eigenschappen verloren gaan) verhoogd. Magneten van klasse N52H (met Dy) behouden bijvoorbeeld hun prestaties bij  180°C , geschikt voor krachtige elektrische voertuigen.
• Motorontwerp :Vloeistofkoelsystemen en geoptimaliseerde luchtstroom voorkomen overmatige hitteontwikkeling in de motor en beschermen zo de magneten.

3.2 Corrosiebestendigheid

• Oppervlaktecoatings :NdFeB-magneten zijn voorzien van nikkel-, epoxy- of composietlagen ter bescherming tegen vocht en chemicaliën. Een drielaagse Ni-Cu-Ni-coating verlengt bijvoorbeeld de levensduur van de magneet tot  30–50 jaren  in droge omgevingen en  1.000+ uur  in zoutnevelproeven.
• Gebonden NdFeB-magneten :Deze varianten mengen NdFeB-poeder met hars of kunststof, waardoor nabewerking niet nodig is en de corrosiebestendigheid wordt verbeterd. Ze worden gebruikt in hulpmotoren (bijvoorbeeld elektrische ramen, koelventilatoren) waarbij een hoge magnetische sterkte minder belangrijk is.

4. Toekomstige trends en alternatieven

Hoewel NdFeB nog steeds de belangrijkste grondstof is, is onderzoek naar magneten zonder zeldzame aardmetalen (bijvoorbeeld MnBi, Ferriet-Nano) erop gericht de afhankelijkheid van kritische materialen te verminderen. Deze alternatieven blijven echter momenteel achter in prestaties:

• MnBi-magneten : Aanbod  60–70%  van NdFeB’s koppel maar vereisen  60% groter  motoren, waardoor het gewicht en de kosten van voertuigen toenemen.
• Inductiemotoren :Deze worden in sommige elektrische voertuigen gebruikt (bijvoorbeeld de achtermotor van het Tesla Model 3) en gebruiken geen zeldzame aardmetalen, maar leveren wel in op efficiëntie en koppeldichtheid.

5. Conclusie

NdFeB-magneten vormen de hoeksteen van moderne EV-tractiemotoren vanwege hun ongeëvenaarde magnetische sterkte, compactheid en efficiëntie. Hoewel er alternatieven bestaan ​​zoals ferriet, Alnico en SmCo, kunnen deze niet tippen aan NdFeB’prestatie-kostenverhouding voor gangbare toepassingen. Voortdurende vooruitgang op het gebied van thermische stabilisatie en corrosiebestendigheid zal NdFeB verder versterken’een rol in de EV-revolutie, door te zorgen voor lichtere, efficiëntere en duurzamere voertuigen voor de toekomst.