无稀土磁铁电动汽车牵引电机的研发

时间:2023-06-08作者:佚名

自1997年丰田普锐斯(Toyota Prius)上市以来,混合动力电动汽车(HEV)成为主流,在汽车牵引电机中使用稀土磁铁已成为普遍现象。特别是稀土磁性材料钕铁硼(NdFeB),由于具有显著的性能优势,使得紧凑型、扭矩和功率密集型电力牵引电机的开发成为可能。随着诸如日产聆风(Nissan Leaf)等大众市场电池电动汽车(BEV)进入市场,这种趋势继续存在。然而,由于对供应安全的地缘政治担忧,2011-2012年这些材料的价格大幅上涨。虽然价格最近已恢复到接近历史水平,但各国政府和许多混合动力和电动汽车制造商仍然担心这一问题,还对这些材料的环境可持续性提出了疑问,这进一步鼓励用户考虑替代方案。

无稀土磁铁电动汽车牵引电机的研发

钕铁硼磁体和电力牵引电动机

1983年住友特种金属(Sumitomo Special Metals)获得烧结钕铁硼(NdFeb)磁性材料专利,使得其在电机性能方面产生了阶跃变化。钕是被称为轻稀土元素(LREE)的材料家族的一员,其他元素包括镧(用于光学)和钐(也用于磁性材料),这些元素使得钕铁硼磁铁能提供较高的性能水平,它们的最大能量产品相比,见下图,明显高于其他磁性材料。NdFeB磁铁在高环境温度下工作的一个关键因素是镝,这一种稀土元素(hre)被添加到NdFeB中,能增加磁铁的高温矫顽力(耐退磁能力),大约100°C。这对于在高功率密度应用中(如车辆牵引)使用这些磁铁至关重要。在电动牵引电机中,NdFeB磁铁允许以很小的体积产生非常强的磁场。

无稀土磁铁电动汽车牵引电机的研发

电机中稀土磁铁的替代品

磁铁制造商正在寻求降低磁铁的稀土含量,同时保持或提高其性能。日立金属公司(Hitachi Metals)就是一个例子。据报道,与传统的NdFeB材料相比,该公司开发出的磁铁可降低镝含量,但不会降低其高温矫顽力。这种磁铁是使用一种新工艺制造的,该工艺涉及到镝在磁铁材料中的扩散,而不是直接合金化。其他厂商正试图将磁铁中的颗粒尺寸减小到纳米级,在保证性能情况下,减少稀土的用量。

第二个领域是利用回收的稀土材料,计算机硬盘驱动器多年来一直使用含钕和镝的稀土磁铁。据报告,这些材料的价值高达数十亿美元,正在研究回收这些材料的技术,但是,人们对此类回收磁性材料的质量和重复性存在担忧。

在电机设计方面,使用较少的稀土磁性材料同时产生高转矩密度,已经做了大量的工作。在这方面最成功的方法集中在混合电机技术的使用上,在“凸极”转子结构中镶嵌少量磁性材料。宝马i3电动汽车采用了这种电机技术的一个例子,它采用了一种高度突出的转子拓扑结构,从1千克磁铁中产生250牛米的扭矩和125千瓦的功率。

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其他磁性材料

铝镍钴(Alnico)是在20世纪30年代发展起来的,尽管这些磁铁提供高剩余磁通密度,它们的矫顽力非常低,因此退磁的高风险,使它们不具有吸引力,仅用于高功率密度电机。美国艾姆斯大学的研究人员正致力于改善这些材料的矫顽力。

钐钴(smco)磁铁是在20世纪70年代开发的,并经常用于航空航天应用,它们具有吸引力,因为它们可以承受比NdFeb更高的温度,而不会发生退磁。然而,它们与钕铁硼磁铁一样或更贵,还含有稀土材料钐和昂贵的钴。

最后的选择可能是铁氧体磁铁,使用自20世纪50年代。这些是由氧化铁结合金属锶,钡或钴。为了增加残余磁通密度,TDK等公司成功地引入了大量镧,这也是一种稀土金属,但镧基铁氧体的成本仍然比NdFeB低很多。

软件系统的可用性,使得电机几何结构的快速优化在这方面非常重要,使得磁性材料在不降低电机性能的情况下最小化。然而,必须注意确保磁铁不受反向磁场的影响,这可能导致磁铁永久退磁。因此,设计必须确保在故障条件下引起的短路电流不会很高。

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