Более пристальный взгляд на редкоземельные постоянные магниты в электродвигателях (Rare earth magnets)

Магниты из редкоземельных металлов получили широкое освещение в прессе EV за то, что они были дорогими - особенно в 2011 году, когда из-за разрыва в поставках в Китай цены подскочили в пять раз для Неодима и в 20 раз для Диспрозия в течение нескольких месяцев - но они все еще являются ключевым компонентом в подавляющем большинстве тяговых двигателей, применяемых в электромобилях и гибридах (примечательным исключением является Tesla, которая использует асинхронные двигатели).
Магниты производятся в промышленности путем пропускания тока через катушку для приложения внешнего магнитного поля к ферромагнитному материалу, но также возможно намагнитить что-то, просто поместив его в контакт с другим магнитом или даже ударив его молотком. Ферромагнитные материалы, которые трудно намагничивать или размагничивать, называются "твердыми" и являются предпочтительными для использования в качестве постоянных магнитов, в то время как материалы, которые легко намагничивать или размагничивать, называются "мягкими" и идеально подходят для трансформаторов, катушек индуктивности и электромагнитов. В твердых ферромагнитных материалах присутствуют молекулы с кристаллической структурой, которая вытянута в одном направлении - это  называется анизотропией, а процесс намагничивания -  выравнивание всех длинных осей в одном направлении.
Вообще говоря, существует четыре основных типа магнитов: керамика (также называемая ферритом), AlNiCo, Samarium Cobalt (SmCo) и неодимия (NdFeB). Последний тип - тот, который наиболее часто используется в тяговых двигателях для гибридов и EV. Основные свойства четырех типов магнитов приведены на рисунке 1.
Стоимость и коррозионная стойкость не требуют объяснений, хотя следует подчеркнуть, что магниты NdFeB исключительно подвержены коррозии и должны быть защищены каким-либо покрытием или покрытием до воздействия воздуха. Однако значение рабочей температуры не так очевидно, как может показаться. Все магнитные материалы теряют свои магнитные свойства при определенной температуре, называемой точкой Кюри, и это неизменно фатально для постоянных магнитов. Однако необратимая потеря магнетизма может также возникать при температурах, значительно ниже точки Кюри, и именно этот эффект действительно определяет рабочую температуру магнита. Например, точка Кюри для NdFeB составляет 310-350 ° C, в зависимости от сорта, но максимальная рабочая температура составляет от 80 до 180 ° C. И наоборот, Сила магнита является самой обманчивой спецификацией, поскольку она является продуктом остаточной активности, которая представляет собой остаточную плотность потока (или В, обычно измеряемую в Гауссе или G), и коэрцитивную силу (или Н, обычно измеряемую в Эрстедсе или Ое) , что указывает на то, насколько сильное внешнее магнитное поле необходимо для полного размагничивания магнита.
Чтобы учесть остаточную перспективу, считайте, что самый сильный класс магнита NdFeB N52 рассчитан на около 14 000 G, а магнит размером 1 дюйм x 2 дюйма длиной потребует более 85 фунтов силы (115 нм) чтобы вытащить его из стального блока (или другого магнита аналогичного или большего размера).
Коэрцитивную силу немного сложнее понять, но она связана не только с тем, сколько магнитных усилий требуется, так сказать, для размагничивания магнита, а также для того, чтобы понять сколько потребовалось усилий для намагничивания его до максимально возможного значения остаточной силы.
Хотя вы можете сделать магнит, просто разместив ферромагнитный материал в контакте с существующим магнитом, новый магнит будет не очень сильным, так как для достижения максимальной остаточной нагрузки вам необходимо применить достаточную коэрцитивную силу для насыщения ферромагнитного материала, но даже самые слабые керамические магниты обычно требуют использования многооборотной электромагнитной катушки с воздушным сердечником, через которую пропускается (обычно) большой ток для создания интенсивного магнитного поля. Это приводит к коэрцитивной силе, пропорциональной величине тока, умноженной на количество оборотов, разделенных на высоту катушки в метрах. Чтобы преобразовать из этого электрически генерируемого коэрцитивного усилия в Эрстед, обычно заданный для магнитов, делятся примерно на 80 (фактическое отношение деления равно 1000 / 4Π). Таким образом, коэрцитивная сила 1 Oe приблизительно равна 80 A * turn / m, который может быть сгенерирован любой из следующих комбинаций: 20 A * 4 оборота / 1 м; 2 A * 4 оборота / 10 см; 8 A * 1 оборот / 10 см; и т.п.
Теперь рассмотрим, что полноценный магнит NdFeB имеет внутреннюю коэрцитивную силу в диапазоне 11 000 Э, и ошеломляющая величина того, что требуется для размагничивания одного из этих зверей, должна быть очевидной (~ 880 000 А * т / м!). Однако намагничивание этого же ферромагнитного материала в первую очередь требует где-то в диапазоне от 2x до 4x той же коэрцитивной силы. К счастью, такое интенсивное поле необходимо применять только мгновенно, поэтому практический подход заключается в том, чтобы зарядить конденсаторную батарею, а затем сбросить эту зарядку сразу в катушку, изготовленную из медной трубы, через которую протекает охлаждающая жидкость. Однако пиковые токи для катушек соответствующего размера будут по-прежнему превышать 10 кА; в конце концов, вы не можете втиснуть 100 оборотов медной трубки в катушку толщиной 10 см ... если только это не капиллярная трубка.
Напротив, самый сильный класс магнита AlNiCo - 8HE - имеет остаточную плотность потока в диапазоне 9000 гаусс, что сопоставимо с некоторыми редкоземельными магнитами, но коэрцитивная сила 1600 экз., Что делает его относительно простым на размагничивание. Фактически, магнит AlNiCo размагничивается сам по себе, если магнитный шунт (также называемый хранителем) не используется для соединения своих северных и южных полюсов вместе. Низкая коэрцитивная сила также является причиной того, что AlNiCo падает до мертвого в рейтинге выше, несмотря на то, что он является "более сильным" магнитом, чем типичные темно-серые керамические типы.
Устойчивость к размагничиванию особенно важна для магнитов, используемых в двигателях, так как механизмом, с помощью которого работают двигатели, является взаимодействие фиксированного магнитного поля, которое в электродвигателе переменного тока подается, несколько извращенно, ротором - с вращающимся магнитным полем, которое в двигателе переменного тока создается путем последовательного включения катушек проводов, расположенных вокруг окружности статора с инвертором. Использование сильных магнитов, которые легко размагничиваются для фиксированного поля - например, AlNiCo - приведет к постепенной потере крутящего момента только от бездействия, еще больше потерь от нормального использования и катастрофической потери крутящего момента, если он подвергнут максимальной токовой нагрузке или если представляет собой временное несоответствие между магнитными полями катушек статора и положением магнитных полюсов ротора. Также, Магниты NdFeB являются действующими чемпионами как в максимальной силе поля, так и в сопротивлении размагничиванию, но их ахиллесова пята - очень низкая максимальная рабочая температура. Стандартный класс N начнет испытывать обратимое / незначительное размагничивание при 60 ° C, а рекомендуемая максимальная рабочая температура составляет 80 ° C; выше, происходит необратимая потеря магнетизма. Путем добавления в сплав тяжелых сплавов редкоземельных металлов или тербия максимальная рабочая температура может быть увеличена до 180 ° C, но с некоторым уменьшением максимальной остаточной активности, и оба из этих легирующих элементов намного дороже - и имеют более изменчивые колебания цен - чем неодим. Средняя спотовая цена в марте 2017 года, как сообщает Шанхайская биржа металлов, составила 51 долл. США за килограмм для неодима и 242 долл. США за килограмм для диспрозия.
Тем не менее, максимальная рабочая температура 180 ° C соответствует стандартным классам изоляции магнитных проводов, поэтому это обычно считается достаточно хорошим (следует отметить, что сопротивление меди увеличивается на 0,4% / ° C, поэтому увеличение максимальной производительности температура не обязательно является желательной в первую очередь). Кроме того, около 90% потерь в двигателе IPM поступают из статора, но поскольку статор находится очень близко к ротору, - разделенный воздушным зазором на пару миллиметров или меньше, - некоторая передача тепла неизбежна.
Итак, как насчет полного отталкивания магнитов, как в асинхронном двигателе? Неудивительно, что для обеих технологий есть веские аргументы - более полный взгляд на них (включая усилия по сокращению или устранению использования редкоземельных магнитов) может стать предметом будущей статьи. Вообще говоря асинхронный двигатель будет более эффективен для данной выходной мощности, чем двигатель IPM. Он также будет иметь более низкий коэффициент мощности, что в основном означает, что часть текущего номинала инвертора не может использоваться для создания полезного крутящего момента. С другой стороны, асинхронный двигатель практически не поддается разрушению, он не требует точной обратной связи по положению ротора, чтобы обеспечить максимально возможный крутящий момент, и нет возможности режима отказа, называемого неконтролируемая генерация.
Источник: chargedevs.com

Комментариев нет:

Отправка комментария