Обходясь без «редких земель»
Рисунок: Business Wire
Электрификация автомобильного транспорта вызвала повышенный спрос на редкоземельные металлы, используемые в тяговых синхронных электродвигателях. Автомобильные компании озабочены: мало того, что эти металлы дороги, их мировое производство на 90% сосредоточено в Китае. Даже те страны, которые добывают редкоземельные элементы на своей территории, в большинстве случаев на переработку посылают их в Китай.
Ради снижения стоимости тяговых двигателей и исключения геополитических рисков в западных странах развёрнуты научные исследования и разработки по изготовлению мощных магнитов без редкоземельных металлов. Также создаются моторы с сокращённым количеством постоянных магнитов и совсем без них. В марте 2023 года представитель автомобильной компании Tesla заявил, что её следующий тяговый двигатель будет основан на постоянных магнитах, которые совсем не содержат редкоземельные элементы. Над сильными магнитами без «редких земель» работает и европейский консорциум Passenger, включающий двадцать исследовательских учреждений и компаний.
В Окриджской национальной лаборатории при Минэнерго США создан центр по инновационным двигателям для электромобилей. В сотрудничестве с коллегами из Национальной лаборатории возобновляемой энергетики, Национальной лаборатории Эймса и Висконсинского университета в Мэдисоне учёные из Окриджа создают новые концепции электромоторов. Помимо этого к работам привлечены Национальные лаборатории Сандиа, Университет Пердью и Технологический институт Иллинойса.
Искусство компромиссов
Прямая замена магнитов на основе редкоземельных металлов на магниты без оных выливается в ухудшение характеристик электродвигателя. К счастью, инновационные решения в конструкции и производстве, а также замена материалов позволяют нивелировать это ухудшение.
При объединении некоторых редкоземельных металлов, таких как неодим, самарий, диспрозий и тербий, с ферромагнетиками образуются кристаллические структуры, которые не только обладают сильными магнитными свойствами, но и сопротивляются размагничиванию. О качестве магнитов обычно судят по максимальной энергии, измеряемой в миллионах гаусс-эрстедов (МГЭ). У наиболее сильных коммерческих магнитов на основе неодима, железа и бора (далее для краткости будем называть их просто неодимовыми) диапазон максимальной энергии составляет 30–55 МГЭ.
Синхронные двигатели для электромобилей делятся на две основные категории: с постоянными магнитами на внешней поверхности ротора и синхронные реактивные. В первых используется притяжение и отталкивание частей ротора и статора, а вторые устроены хитрее. В них роторы имеют воздушные пазы, создающие магнитную анизотропию. Формируемое в статоре вращающееся магнитное поле вовлекает во вращение ротор, потому что силовые линии поля стремятся пройти внутри ротора по пути с наименьшим магнитным сопротивлением.
В последние годы автопроизводители успешно используют разные комбинации двух названных двигателей, дополняя синхронные реактивные модели постоянными магнитами, вмонтированными в глубине ротора (см. рис. 1). Подробности вы найдёте в нашей прошлогодней публикации, щёлкнув здесь. Такую конструкцию внедрили компании GM, Tesla и Toyota. О потенциале их подхода можно судить по опыту производства гибридного авто Toyota Prius. Два десятилетия назад, в 2004-м, его мотор содержал магниты общей массой 1,2 кг, а спустя тринадцать лет, в 2017-м, – всего 0,5 кг. Заметного прогресса добилась и компания GM с машиной Chevrolet Bolt. В ней магнитных материалов на 30% меньше, чем в предыдущей модели Chevrolet Spark.
постоянными магнитами
При замене неодимовых магнитов на ферритовые или другие без «редких земель» важно учитывать такие их параметры, как остаточная намагниченность и коэрцитивная сила. Первая характеризует способность намагничиваться (в конечном итоге обеспечивать необходимый вращающий момент), вторая – сопротивляться размагничиванию (и таким образом обеспечивая долговечность). Если вы в электродвигателе замените неодимовый магнит на ферритовый, то получите меньший вращающий момент и большую вероятность размагничивания за срок службы мотора. Если же попытаться получить те же тяговые характеристики, окажется, что масса ферритовых магнитов должна в разы превышать массу неодимовых.
Магнитный поток от слабых ферритовых магнитов можно попытаться сконцентрировать. Инженеры успешно справились с этой задачей с помощью специальных шпилек, но в результате получили на 30% более тяжёлый двигатель, чем на «редких землях». Некоторые исследователи пробовали применять широко распространённые магниты на основе алюмо-никелево-кобальтового сплава (альнико) - наподобие тех, что присутствуют в сувенирах для их прикрепления к холодильнику. Такие материалы имеют хорошую остаточную намагниченность, но им не хватает коэрцитивной силы. Тогда было предложено применить дополнительный электромагнит, чтобы он помогал увеличить вращающий момент и заодно восстанавливал намагниченность сплава. Кроме того, исследователи из Лаборатории Эймса нашли способ с помощью специально подобранной микроструктуры кардинально улучшить магнитные характеристики сплавов альнико.
Новые материалы
В последнее время много внимания уделяется железо-нитридным (Fe-N) магнитам. В их создании преуспел стартап Niron Magnetics, работающий по заказам автоконцерна General Motors. Остаточная намагниченность у железо-нитридных магнитов находится на уровне редкоземельных, однако коэрцитивная сила впятеро меньше, что требует создания мотора особой конструкции, чем собственно и занимается Niron Magnetics.
Следующий не редкоземельный кандидат на применение в электромобилях - MnBi. Магниты на основе сплавов марганца и висмута заинтересовали исследователей из университетов Питтсбурга и штата Айова, которые работают совместно с промышленной компанией Powdermet. Уже создан плоский мотор. Оказалось, чтобы получить тот же вращающий момент, что и у двигателя с неодимовыми магнитами, нужно увеличить объём его на 60% и массу на 65%.
Некоторые исследователи пытаются избавиться только от тяжёлых редкоземельных элементов. Так, типичный неодимовый магнит имеет небольшие примеси диспрозия, служащего для сохранения коэрцитивной силы при высоких температурах. Исключив диспрозий, можно удешевить магнит, но тогда инженерам придётся постараться, чтобы конструкция не перегревалась.
В прошлом году в Окриджской национальной лаборатории был создан тяговый мотор мощностью 100 кВт, в котором неодимовые магниты не содержат тяжёлых редкоземельных металлов (см. рис. 2). Ротор там располагается вокруг статора, а потому его легче охлаждать. Компоновка оригинальная: внутрь статора встроены инвертор и схемы управления, которые задают необходимые для запуска и работы мотора частоты.
национальной лаборатории
Разработчики из Окриджа были вынуждены решать непростые задачи. Так, постоянные магниты проводят электрический ток, а потому в переменном электрическом поле от статора начинают разогреваться вихревыми токами. С этим эффектом можно бороться, разделяя магниты на тонкие изолированные друг от друга сегменты. Один из лабораторных прототипов имел сегменты миллиметровой толщины. Но этого оказалось мало. Для предотвращения разогрева мотора свыше 80 °C разработчики организовали прокачку воздуха.
* * *
В случае замены постоянных магнитов электрическими необходимо обеспечить передачу тока на вращающийся ротор. Скользящие кольца и щётки могут быть хорошим решением для стационарного двигателя, но не для тягового. В таких случаях выручают индуктивные системы возбуждения. Так, компания ZF Group (поставщик автокомпонентов) создала электрически возбуждаемый тяговый мотор мощностью 220 кВт, по массогабаритным характеристикам не уступающий моделям с неодимовыми магнитами.
При подготовке статьи были использованы материалы журнала IEEE Spectrum.
