Что такое двигатель с неодимовым магнитом и как он работает?

A двигатель с неодимовым магнитом представляет собой высокоэффективный синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) или бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC), в котором используются мощные редкоземельные магниты неодим-железо-бор (NdFeB), встроенные в ротор или установленные на нем, для создания магнитного поля, необходимого для вращения. В отличие от традиционных асинхронных двигателей, которые потребляют электрическую энергию для создания магнитного поля в роторе, двигатель с неодимовым магнитом получает поток ротора от постоянных магнитов с энергетическим продуктом, достигающим 50 мегагаусс-эрстедов (MGOe) или выше , что полностью устраняет потери в меди ротора и обеспечивает уровень эффективности, который обычно превышает 95%. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на долю систем с приводом от электродвигателей приходится около 45% мирового потребления электроэнергии , а продолжающийся переход от асинхронных двигателей к конструкциям с постоянными магнитами на основе неодима в электромобилях, промышленной автоматизации и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха представляет собой один из наиболее впечатляющих переходов к энергосбережению, происходящих в мировой экономике.

Изучите ключевые области применения магнитных материалов

Что такое двигатель с неодимовым магнитом и как он работает?

Двигатель с неодимовым магнитом — это электродвигатель, в котором магнитное поле ротора создается спеченными постоянными магнитами неодим-железо-бор, а не электромагнитами, а вращение достигается путем электронной коммутации обмоток статора для создания вращающегося электромагнитного поля, которому ротор следует в точной синхронности. Фундаментальный принцип работы предполагает взаимодействие между вращающимся магнитным полем, создаваемым катушками статора, и фиксированными магнитными полюсами, встроенными в ротор. Неодимовые магниты выбраны потому, что они обладают самой высокой магнитной остаточной намагниченностью (Br) и коэрцитивной силой (Hc) среди всех коммерчески доступных материалов для постоянных магнитов. Типичный неодимовый магнит класса N52 имеет остаточную намагниченность примерно от 1,44 до 1,48 тесла и внутренняя коэрцитивность, превышающая 11 000 эрстедов . Когда эти магниты расположены в виде матрицы Хальбаха или в традиционной конфигурации для поверхностного монтажа на роторе, они создают интенсивный стабильный магнитный поток, который взаимодействует с чередующимися полюсами статора. Контроллер двигателя, который получает обратную связь по положению от датчиков Холла или резольвера, подает напряжение на фазы статора в тщательно рассчитанной последовательности, которая поддерживает оптимальный угол крутящего момента между полями статора и ротора. Поскольку магниты ротора создают собственный магнитный поток, к ротору не требуется подавать ток намагничивания, и единственные потери происходят в обмотках статора, пластинах магнитной стали и подшипниках. Этот элегантный принцип работы позволяет двигатель с неодимовым магнитом обеспечить большую механическую мощность на единицу потребляемой электроэнергии, чем любая другая коммерчески жизнеспособная топология двигателя.

Материаловедение, лежащее в основе неодимовых постоянных магнитов

Производительность двигателя с неодимовым магнитом напрямую связана с исключительными магнитными свойствами соединения неодим-железо-бор, которое было обнаружено в 1984 году и с тех пор было переработано в самый прочный материал для постоянных магнитов, доступный за любую цену. Ключевые магнитные показатели, которые отличают магниты NdFeB от их предшественников — ферритовых (керамических) магнитов и самарий-кобальтовых магнитов, — кратко изложены ниже:

• Максимальный энергетический продукт (BHmax): Неодимовые магниты достигают значений BHmax от 30 до 52 МГОэ по сравнению с всего лишь от 1 до 5 MGOe для ферритовых магнитов и от 15 до 30 MGOe для самарий-кобальта. Это означает, что неодимовый ротор может генерировать тот же магнитный поток, что и ферритовый ротор, который физически в четыре-десять раз больше, что позволяет резко уменьшить размер и вес двигателя, которые характеризуют современные двигатели. двигатель с неодимовым магнитом конструкции.
• Магнитная остаточная намагниченность (Br): NdFeB марки N52 сохраняет плотность потока от 1,44 до 1,48 Тл после намагничивания. Площадь поперечного сечения магнитного материала, необходимая для достижения заданной плотности потока воздушного зазора, обратно пропорциональна остаточной намагниченности, поэтому магниты с высоким содержанием Br позволяют использовать более узкие и легкие роторы.
• Внутренняя принудительная сила (Hci): Марки с высокой коэрцитивной силой, предназначенные для двигателей, часто обозначаемые суффиксом «H», например N45SH или N48UH, могут противостоять размагничиванию в поле статора и при повышенных температурах до От 150 до 220 градусов Цельсия . По данным исследования, опубликованного в журнале Журнал прикладной физики , добавление диспрозия или тербия к границам зерен NdFeB увеличивает коэрцитивную силу за счет закрепления магнитных доменных границ, хотя и за счет умеренного снижения остаточной намагниченности.

Критическое соображение в двигатель с неодимовым магнитом расчетом является температурный коэффициент магнитов. Остаточная намагниченность NdFeB уменьшается со скоростью примерно От 0,10% до 0,12% на градус Цельсия при повышении температуры коэрцитивная сила падает еще более резко. При 120 градусах Цельсия стандартный магнит N-класса может потерять от 20% до 30% своей коэрцитивной силы при комнатной температуре. Вот почему производители двигателей выбирают высокотемпературные сорта и тщательно моделируют тепловое поведение ротора, чтобы гарантировать, что магниты остаются в пределах безопасного рабочего окна во всем диапазоне скоростей и нагрузок.

Сравнение двигателей с неодимовыми магнитами с другими технологиями двигателей

Когда инженеры сравнивают двигатель с неодимовым магнитом по сравнению с асинхронным двигателем, вентильным реактивным двигателем или двигателем с ферритовым постоянным магнитом, неодимовая конструкция неизменно обеспечивает превосходную удельную мощность и эффективность, хотя и при более высоких материальных затратах и с последствиями для цепочки поставок, связанными с производством редкоземельных элементов. В таблице ниже представлено количественное сравнение ключевых параметров производительности, влияющих на выбор технологии двигателей для тягового и промышленного применения.

Где сегодня используются двигатели с неодимовыми магнитами?

Двигатель с неодимовым магнитом стал доминирующей технологией в электромобилях, предпочтительным выбором для высокопроизводительных промышленных сервосистем и важным компонентом в электрификации самолетов и морских судов. Конкретные отрасли, в которых эти двигатели оказывают наибольшее влияние, включают:

• Тяговые двигатели электромобилей: Подавляющее большинство аккумуляторных электромобилей и гибридных автомобилей, продаваемых по всему миру, используют двигатель с неодимовым магнитом в качестве основного привода. Типичный тяговый электродвигатель пассажирского электромобиля содержит от 1,0 и 2,5 килограмма неодимовых магнитов, точное количество зависит от номинальной мощности двигателя и конкретной топологии ротора. Согласно анализу рынка, проведенному Adamas Intelligence в 2023 году, мировой сектор электромобилей потреблял около 20 000 тонн магнитов неодим-железо-бор в 2022 году, а к 2030 году эта цифра, по прогнозам, увеличится более чем вдвое по мере ускорения производства электромобилей. Запас хода современного электромобиля по NEDC или WLTP напрямую зависит от эффективности двигателя: каждый процентный пункт прироста эффективности соответствует примерно от 2% до 3% дополнительного диапазона от одной и той же емкости аккумулятора, поэтому автопроизводители вкладывают значительные средства в оптимизацию конструкции двигателей с постоянными магнитами.
• Промышленная автоматизация и робототехника: В высокоточных серводвигателях, которые позиционируют роботизированные руки, оси станков с ЧПУ и оборудование для производства полупроводников, почти повсеместно используются неодимовые роторы. Высокое соотношение крутящего момента к инерции двигатель с неодимовым магнитом обеспечивает скорость ускорения 10000 оборотов в минуту в секунду или более, позволяя роботу-перекладчику завершить цикл за долю секунды. Отсутствие люфта и высокая жесткость этих двигателей необходимы для субмикронной точности позиционирования, необходимой в шаговых двигателях пластин и системах оптического выравнивания.
• Ветровые генераторы: Генераторы с постоянными магнитами с прямым приводом для ветряных турбин мощностью несколько мегаватт устраняют коробку передач, которая является наиболее трудоемким и подверженным отказам компонентом в обычной ветряной турбине. Морской ветрогенератор с прямым приводом мощностью 6 МВт может содержать более 600 килограммов неодимовых магнитов, расположенных в роторе большого диаметра, который вращается с той же низкой скоростью, что и лопатки турбины. Повышение эффективности за счет устранения потерь в редукторе более чем компенсирует более высокую стоимость магнита в течение 25-летнего расчетного срока службы турбины.
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Инициатива по созданию более электрических самолетов и появление городских аэромобильных транспортных средств с электрическим вертикальным взлетом и посадкой (eVTOL) требуют двигателей с максимально возможным соотношением мощности к весу. А двигатель с неодимовым магнитом разработанный для аэрокосмических применений, может достигать постоянной удельной мощности, превышающей 5 киловатт на килограмм , что примерно вдвое больше, чем у асинхронного двигателя эквивалентной номинальной мощности. Эта экономия веса имеет первостепенное значение для самолета, где каждый килограмм массы двигателя снижает грузоподъемность или дальность полета.
• Бытовая электроника и бытовая техника: Бесщеточные двигатели постоянного тока в беспроводных пылесосах, фенах, вентиляторах охлаждения компьютеров и двигательных установках дронов зависят от миниатюрных неодимовых магнитов, обеспечивающих необходимый крутящий момент при чрезвычайно компактном форм-факторе. Высококлассный беспроводной вакуумный двигатель вращается со скоростью более 100 000 об/мин и умещается на ладони, что возможно только благодаря плотности потока, обеспечиваемой неодимовым ротором.

Производство двигателя с неодимовым магнитом: основные этапы процесса

Производство высокопроизводительного двигателя с неодимовым магнитом требует точной интеграции спеченных магнитных блоков в пакет пластин ротора с последующим намагничиванием, динамической балансировкой и строгими испытаниями на конце линии для проверки эффективности и тепловых характеристик. Важнейшие этапы производства следующие:

1. Сборка сердечника статора: Тонкие пластины из электротехнической стали, обычно толщиной от 0,20 до 0,35 мм, перфорируются или вырезаются лазером, укладываются друг на друга, свариваются или скрепляются между собой. Пазы статора изолируются, а предварительно сформированные медные катушки вставляются с помощью автоматических намоточных машин. Для тяговых двигателей с высокой удельной мощностью все чаще применяют шпильковые обмотки из медной проволоки прямоугольного сечения, поскольку они обеспечивают более высокий коэффициент заполнения пазов — до от 70% до 75% по сравнению с 45–55 % для обмоток с круглым проводом, что снижает сопротивление и улучшает охлаждение.
2. Установка магнита ротора: Блоки неодимовых магнитов, обработанные по точным размерам и покрытые никелем, эпоксидной смолой или алюминием для предотвращения коррозии, вставляются в пазы пакета пластин ротора. В конструкциях с внутренними постоянными магнитами (IPM) магниты расположены в V-образных или дельта-образных полостях, которые создают крутящий момент магнитного сопротивления в дополнение к крутящему моменту постоянного магнита. Магниты могут быть закреплены с помощью высокотемпературной эпоксидной смолы, кевларовой обмотки или удерживающей втулки в зависимости от поверхностной скорости ротора.
3. Намагниченность: После сборки ротор помещается в намагничивающее приспособление с сильным полем, которое генерирует импульсное магнитное поле, превышающее 30 000 эрстедов , насыщая неодимовый материал желаемой диаграммой направленности. Намагничивание полностью собранного двигателя на месте также является обычным явлением, поскольку оно исключает обращение с сильно намагниченными роторами во время сборки.
4. Динамическая балансировка: Поскольку ротор двигатель с неодимовым магнитом часто работает на скоростях, превышающих 15 000 об/мин в электромобилях, его необходимо отбалансировать до очень жесткого класса, обычно G2,5 или G1,0 согласно ISO 1940-1. Силы дисбаланса увеличиваются пропорционально квадрату скорости вращения, поэтому даже несколько грамм-миллиметров остаточного дисбаланса могут вызвать неприемлемую вибрацию и нагрузки на подшипники на максимальной скорости.
5. Окончательная сборка и тестирование: Статор и ротор состыкованы, подшипники установлены, торцевые щиты закреплены. Каждый серийный двигатель проходит серию автоматических испытаний, включая сопротивление обмотки, сопротивление изоляции, анализ формы сигнала обратной ЭДС, ток холостого хода и определение эффективности при полной нагрузке. А двигатель с неодимовым магнитом предназначенные для автомобильной тяги, также должны пройти испытания на термоудар и вибрацию, имитирующие 15 лет эксплуатации на автомобиле.

Проблемы и будущее развитие технологии двигателей с неодимовыми магнитами

Несмотря на свои преимущества в производительности, двигатели с неодимовыми магнитами сталкиваются с тремя серьезными проблемами: концентрация в цепочке поставок редкоземельных элементов, волатильность цен и риск постоянного размагничивания при повышенных температурах. Редкоземельные элементы неодим, празеодим, диспрозий и тербий добываются и перерабатываются преимущественно в одном географическом регионе, и разделение этих химически близких элементов требует экологически интенсивной экстракции растворителем. В ответ разработчики двигателей реализуют две взаимодополняющие стратегии. Первая — это технология зернограничной диффузии, при которой тонкий слой диспрозия или тербия наносится только на поверхности зерен неодима внутри магнита, что снижает потребление тяжелых редкоземельных элементов за счет от 30% до 50% при достижении эквивалентного принуждения. Во-вторых, это разработка топологий двигателей, не содержащих редкоземельные элементы или с пониженным содержанием редкоземельных элементов, в которых используются ферритовые магниты или принципы переключаемого сопротивления для приложений, где абсолютная максимальная плотность мощности не является основным требованием. Исследование, опубликованное Национальной лабораторией Ок-Ридж, показало, что синхронный реактивный двигатель на основе феррита может достичь От 85% до 90% удельной мощности эквивалентного неодимового двигателя по значительно более низкой цене, хотя разрыв в эффективности увеличивается при высоких уровнях крутящего момента. Будущее двигатель с неодимовым магнитом вероятно, будет включать в себя раздвоение: высокопроизводительные и дорогие двигатели NdFeB для электромобилей премиум-класса, самолетов и прецизионных сервоприводов, а также более дешевые альтернативные технологии двигателей для чувствительных к цене приложений, где дополнительные несколько процентов эффективности не оправдывают затраты на магнит.

Часто задаваемые вопросы о двигателях с неодимовыми магнитами

Может ли двигатель с неодимовым магнитом со временем потерять свои магнетизм?

При нормальных условиях эксплуатации в указанном диапазоне температур двигатель с неодимовым магнитом сохраняет намагниченность десятилетиями. Коэрцитивная сила правильно выбранных марок достаточна, чтобы противостоять размагничиванию поля статора и вибрации. Однако длительное воздействие температур выше максимального рабочего предела магнита — обычно от 150 до 180 градусов Цельсия для высокотемпературных классов — может вызвать частичную и необратимую потерю магнетизма. Вот почему управление температурным режимом двигателя и выбор магнита, подходящего для ожидаемой температуры в горячей точке, являются важными факторами при проектировании.

Что происходит с двигателем с неодимовым магнитом в конце срока службы?

Неодимовые магниты внутри двигателя можно восстановить в процессе переработки, который включает в себя размагничивание ротора, удаление магнитов и либо повторное использование их непосредственно в новом двигателе, либо переработку в новый магнитный порошок. Закон Европейского Союза об устойчивом критически важном сырье и аналогичные законы в других регионах стимулируют инвестиции в инфраструктуру переработки магнитов. Существующие способы гидрометаллургической и пирометаллургической переработки позволяют восстановить более 90% содержащихся редкоземельных элементов, хотя стоимость переработки остается конкурентоспособной только при повышении цен на оксид неодима.

Как эффективность двигателя с неодимовым магнитом зависит от нагрузки?

A двигатель с неодимовым магнитом поддерживает относительно пологую кривую эффективности в широком диапазоне нагрузок, обычно оставаясь выше 90% от 25% до 120% номинальной нагрузки. Это выгодно контрастирует с асинхронными двигателями, эффективность которых значительно падает при небольшой нагрузке, поскольку ток намагничивания остается постоянным независимо от выходного крутящего момента. Широкий диапазон высокой эффективности является одной из причин, по которой неодимовые двигатели предпочтительны для электромобилей, которые работают в широком диапазоне скоростей и крутящего момента во время езды по городу.

Можно ли построить двигатель с неодимовым магнитом без тяжелых редкоземельных элементов?

Да, не содержит тяжелых редкоземельных элементов двигатель с неодимовым магнитом конструкции уже находятся в производстве для применений, где пиковая рабочая температура остается ниже примерно 120 градусов по Цельсию. В этих двигателях используются неодим-железо-борные магниты с чрезвычайно мелким размером зерен, обычно менее 2 микрон, что увеличивает коэрцитивную силу за счет закрепления границ зерен без необходимости использования диспрозия или тербия. Для высокотемпературных тяговых двигателей технология зернограничной диффузии применяет тонкую оболочку, богатую диспрозием, вокруг каждого магнитного зерна, обеспечивая высокую коэрцитивную силу при общем содержании тяжелых редкоземельных элементов менее 1% по весу.

двигатель с неодимовым магнитом представляет собой настоящий шаг вперед в электромеханическом преобразовании энергии, обеспечивая высочайшую плотность крутящего момента и эффективность среди всех коммерчески доступных технологий двигателей. Его широкое распространение в электромобилях, промышленной автоматизации, возобновляемых источниках энергии и аэрокосмической отрасли является прямым следствием непревзойденных магнитных характеристик постоянных магнитов неодим-железо-бор. Хотя опасения по поводу цепочек поставок редкоземельных элементов и волатильности цен продолжают мотивировать исследования альтернативных топологий двигателей, измеримая экономия энергии и сокращение выбросов углекислого газа, обеспечиваемые этими двигателями, гарантируют, что они останутся краеугольным камнем глобальных усилий по электрификации на десятилетия вперед.