Какова конкретная роль магнитов NdFeB в двигателях электромобилей? Почему бы не выбрать другие магнитные материалы?

1. Основная функция магнитов NdFeB в электродвигателях

Магниты NdFeB (неодим-железо-бор) незаменимы в тяговых двигателях электромобилей благодаря своим непревзойденным магнитным свойствам. Эти магниты служат компонентом ротора в синхронных двигателях с постоянными магнитами (СДПМ), которые являются доминирующей технологией в трансмиссиях электромобилей. Их основные роли включают в себя::

1.1 Высокое отношение крутящего момента к массе

Магниты NdFeB генерируют самые сильные магнитные поля среди всех постоянных магнитных материалов, с максимальным энергетическим произведением (BHmax), превышающим 400 кДж/м³. Это позволяет двигателям электромобилей развивать высокий крутящий момент при низких оборотах (об/мин), что критически важно для быстрого ускорения и эффективного движения на низкой скорости. Например, типичный тяговый двигатель электромобиля потребляет  1–2 кг магнитов NdFeB , но обеспечивает плотность крутящего момента 3–В 5 раз выше, чем у асинхронных двигателей аналогичного размера.

1.2 Компактная и легкая конструкция

Исключительная магнитная сила NdFeB позволяет уменьшить габариты двигателя. СДПМ с магнитами NdFeB может достигать той же выходной мощности, что и асинхронный двигатель, будучи при этом  30–На 50% легче и 40–на 60% меньше . Компактность снижает вес автомобиля, повышает энергоэффективность и увеличивает дальность поездки.—критический фактор для внедрения электромобилей. Например, замена ферритовых магнитов на NdFeB в двигателе может уменьшить его объем на  60%  и вес по  65% , хотя и с компромиссами в стоимости и термической стабильности.

1.3 Высокая энергоэффективность

СДПМ на основе NdFeB устраняют необходимость во внешних системах возбуждения (например, обмотках ротора в асинхронных двигателях), что снижает потери энергии от нагрева меди и железа. Это приводит к  95–97% эффективность  в широком диапазоне скоростей, по сравнению с 90–92% для асинхронных двигателей. Повышение эффективности приводит к увеличению срока службы аккумуляторной батареи и снижению эксплуатационных расходов, особенно при движении по городу с частыми остановками.

2. Почему NdFeB превосходит альтернативные магнитные материалы

В то время как другие магниты, такие как феррит, альнико и самарий-кобальт (SmCo), используются в нишевых приложениях, NdFeB доминирует в электродвигателях благодаря своему превосходному соотношению производительности и стоимости.

2.1 Сравнение с ферритовыми магнитами

• Магнитная сила : Ферритовые магниты имеют BHmax  8–16 кДж/м³ , менее 5% NdFeB’с вместимостью. Для соответствия NdFeB’крутящий момент, двигатель на основе феррита должен быть  6–в 10 раз больше , что делает его непрактичным для электромобилей.
• Термическая стабильность : Ферритовые магниты устойчивы к размагничиванию при высоких температурах, но не обладают достаточной прочностью для создания компактных конструкций двигателей. Обычно они используются в недорогих и малопроизводительных устройствах, например, в электродвигателях стеклоочистителей.

2.2 Сравнение с магнитами Alnico

• Магнитная сила : Магниты Alnico (BHmax:  10–50 кДж/м³ ) слабее, чем NdFeB, и склонны к размагничиванию под действием механических напряжений или обратных полей. В современных электромобилях они используются редко из-за своих размеров и чувствительности к условиям эксплуатации.

2.3 Сравнение с магнитами SmCo

• Тепловые характеристики : Магниты SmCo (BHmax:  200–260 кДж/м³ ) сохраняют свои свойства при температурах до  350°C , превосходящий NdFeB (который деградирует выше  150–200°C ). Однако SmCo является  3–в 5 раз дороже  чем NdFeB, и имеет меньшую магнитную силу, что ограничивает его применение в узкоспециализированных областях применения, требующих высоких температур, например, в двигателях для аэрокосмической отрасли.
• Чувствительность к стоимости : Индустрия электромобилей отдает приоритет экономически эффективным решениям. NdFeB’Баланс производительности и доступности делает его выбором по умолчанию, несмотря на его тепловые ограничения.

3. Преодоление NdFeB’Ограничения

Хотя магниты NdFeB оптимальны для большинства применений электромобилей, их восприимчивость к температуре и коррозии требует разработки стратегий снижения этих последствий.:

3.1 Терморегулирование

• Покрытие и легирование : Добавление диспрозия (Dy) или тербия (Tb) к NdFeB увеличивает его коэрцитивную силу (устойчивость к размагничиванию) и температуру Кюри (точку, при которой теряются магнитные свойства). Например, магниты класса N52H (с Dy) сохраняют производительность при  180°C , подходит для высокопроизводительных электромобилей.
• Конструкция двигателя : Системы жидкостного охлаждения и оптимизированный воздушный поток предотвращают чрезмерное накопление тепла в двигателе, защищая магниты.

3.2 Коррозионная стойкость

• Поверхностные покрытия : Магниты NdFeB покрываются слоями никеля, эпоксидной смолы или композита для защиты от влаги и химикатов. Например, трехслойное покрытие Ni-Cu-Ni увеличивает срок службы магнита до  30–50 годы  в сухих условиях и  1000+ часов  в испытаниях на стойкость к соляному туману.
• Связанные магниты NdFeB : эти варианты смешивают порошок NdFeB со смолой или пластиком, что исключает необходимость последующей обработки и повышает коррозионную стойкость. Они используются во вспомогательных двигателях (например, электрических стеклоподъемниках, вентиляторах охлаждения), где высокая магнитная напряженность не столь критична.

4. Будущие тенденции и альтернативы

Хотя NdFeB по-прежнему остается доминирующим материалом, исследования в области магнитов без редкоземельных элементов (например, MnBi, феррит-нано) направлены на снижение зависимости от критически важных материалов. Однако эти альтернативы в настоящее время отстают по производительности.:

• Магниты MnBi : Предложение  60–70%  из NdFeB’крутящий момент, но требуют  на 60% больше  двигателей, увеличивая вес и стоимость транспортного средства.
• Асинхронные двигатели : используются в некоторых электромобилях (например, задний двигатель Tesla Model 3), в них не используются редкоземельные элементы, но при этом страдает эффективность и плотность крутящего момента.

5. Заключение

Магниты NdFeB являются краеугольным камнем современных тяговых двигателей электромобилей благодаря своей непревзойденной магнитной силе, компактности и эффективности. Хотя существуют альтернативы, такие как феррит, альнико и SmCo, они не могут сравниться с NdFeB.’соотношение производительности и стоимости для основных приложений. Продолжающиеся достижения в области термостабилизации и коррозионной стойкости еще больше укрепят позиции NdFeB.’роль в революции электромобилей, гарантирующей создание более легких, эффективных и экологичных транспортных средств будущего.