Co to jest silnik z magnesem neodymowym i jak działa

A silnik z magnesem neodymowym to wysokowydajny silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM) lub bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC), który wykorzystuje mocne magnesy ziem rzadkich neodymowo-żelazowo-borowe (NdFeB) osadzone lub zamontowane na wirniku w celu wytworzenia pola magnetycznego wymaganego do obrotu. W przeciwieństwie do tradycyjnych silników indukcyjnych, które zużywają energię elektryczną do wytworzenia pola magnetycznego w wirniku, a silnik z magnesem neodymowym czerpie strumień wirnika z magnesów trwałych, osiągając produkt energetyczny 50 megagauss-erstedów (MGOe) lub więcej , całkowicie eliminując straty miedzi w wirniku i umożliwiając osiągnięcie poziomu sprawności rutynowo przekraczającego 95%. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) systemy napędzane silnikami elektrycznymi stanowią ok 45% światowego zużycia energii elektrycznej oraz ciągłe przechodzenie od silników indukcyjnych do konstrukcji z magnesami trwałymi na bazie neodymu w pojazdach elektrycznych, automatyce przemysłowej i systemach HVAC stanowi jedną z najbardziej wpływowych transformacji w zakresie oszczędzania energii w gospodarce światowej.

Poznaj kluczowe zastosowania materiałów magnetycznych

Co to jest silnik z magnesem neodymowym i jak działa?

Silnik z magnesami neodymowymi to silnik elektryczny, w którym pole magnetyczne wirnika jest wytwarzane przez spiekane magnesy trwałe neodymowo-żelazowo-borowe, a nie przez elektromagnesy, a obrót osiąga się poprzez elektroniczną komutację uzwojeń stojana w celu wytworzenia wirującego pola elektromagnetycznego, za którym podąża wirnik z precyzyjną synchronizacją. Podstawowa zasada działania polega na oddziaływaniu pomiędzy wirującym polem magnetycznym generowanym przez cewki stojana a stałymi biegunami magnetycznymi osadzonymi w wirniku. Magnesy neodymowe zostały wybrane ze względu na najwyższą remanencję magnetyczną (Br) i koercję (Hc) ze wszystkich dostępnych na rynku materiałów na magnesy trwałe. Typowy magnes neodymowy klasy N52 wykazuje remanencję około 1,44 do 1,48 tesli i przekroczenie wewnętrznego przymusu 11 000 oerstedów . Kiedy magnesy te są rozmieszczone w układzie Halbacha lub w konwencjonalnej konfiguracji do montażu powierzchniowego na wirniku, wytwarzają intensywny, stabilny strumień magnetyczny, który oddziałuje z naprzemiennymi biegunami stojana. Sterownik silnika, który otrzymuje informację zwrotną o położeniu z czujników Halla lub resolwera, zasila fazy stojana w starannie dobranej sekwencji, która utrzymuje optymalny kąt momentu obrotowego pomiędzy polami stojana i wirnika. Ponieważ magnesy wirnika wytwarzają własny strumień, do wirnika nie trzeba doprowadzać prądu magnesującego, a jedyne straty występują w uzwojeniach stojana, stalowych warstwach magnetycznych i łożyskach. Ta elegancka zasada działania umożliwia: silnik z magnesem neodymowym aby zapewnić większą moc mechaniczną na jednostkę poboru elektrycznego niż jakakolwiek inna komercyjnie opłacalna topologia silnika.

Nauka o materiałach za magnesami trwałymi neodymowymi

Wydajność silnika z magnesem neodymowym można bezpośrednio przypisać niezwykłym właściwościom magnetycznym związku neodymu, żelaza i boru, który został odkryty w 1984 roku i od tego czasu został udoskonalony w celu uzyskania najmocniejszego materiału z magnesami trwałymi dostępnego za wszelką cenę. Kluczowe wskaźniki magnetyczne odróżniające magnesy NdFeB od ich poprzedników — magnesów ferrytowych (ceramicznych) i magnesów samarowo-kobaltowych — podsumowano poniżej:

• Maksymalny produkt energetyczny (BHmax): Magnesy neodymowe osiągają wartości BHmax wynoszące 30 do 52 MGOe w porównaniu z zaledwie 1 do 5 MGOe w przypadku magnesów ferrytowych i 15 do 30 MGOe w przypadku samaru-kobaltu. Oznacza to, że wirnik neodymowy może generować taki sam strumień magnetyczny jak wirnik ferrytowy, który jest fizycznie od czterech do dziesięciu razy większy, umożliwiając radykalne zmniejszenie rozmiaru i masy silnika, które charakteryzują nowoczesne silnik z magnesem neodymowym projekty.
• Remanencja magnetyczna (Br): NdFeB klasy N52 zachowuje gęstość strumienia od 1,44 do 1,48 tesli po namagnesowaniu. Pole przekroju poprzecznego materiału magnesu wymagane do osiągnięcia danej gęstości strumienia w szczelinie powietrznej jest odwrotnie proporcjonalne do remanencji, więc magnesy o wysokim Br pozwalają na zastosowanie węższych i lżejszych wirników.
• Wewnętrzna koercja (Hci): Gatunki o wysokiej koercji przeznaczone do zastosowań silnikowych, często oznaczone przyrostkiem „H”, takie jak N45SH lub N48UH, są odporne na rozmagnesowanie z pola stojana i podwyższonych temperatur do 150 do 220 stopni Celsjusza . Według badań opublikowanych w Journal of Applied Physics , dodatek dysprozu lub terbu do granic ziaren NdFeB zwiększa koercję poprzez przypinanie ścian domen magnetycznych, chociaż kosztem umiarkowanego zmniejszenia remanencji.

Krytyczne rozważania w silnik z magnesem neodymowym projekt to współczynnik temperaturowy magnesów. Pozostałość NdFeB zmniejsza się w przybliżeniu 0,10% do 0,12% na stopień Celsjusza wzrostu temperatury, a koercja spada jeszcze bardziej gwałtownie. W temperaturze 120 stopni Celsjusza standardowy magnes klasy N może stracić od 20% do 30% swojej koercji w temperaturze pokojowej. Z tego powodu producenci silników wybierają gatunki wysokotemperaturowe i dokładnie modelują zachowanie termiczne wirnika, aby mieć pewność, że magnesy pozostaną w bezpiecznym oknie roboczym w całym zakresie prędkości i obciążenia.

Porównanie silników z magnesami neodymowymi z innymi technologiami silników

Kiedy inżynierowie porównują silnik z magnesem neodymowym z silnikiem indukcyjnym, silnikiem reluktancyjnym z przełączaniem lub silnikiem z ferrytowym magnesem trwałym, konstrukcja neodymowa konsekwentnie zapewnia doskonałą gęstość mocy i wydajność, choć przy wyższych kosztach materiałów i implikacjach dla łańcucha dostaw związanych z produkcją pierwiastków ziem rzadkich. Poniższa tabela przedstawia ilościowe porównanie kluczowych parametrów użytkowych, które wpływają na wybór technologii silników do zastosowań trakcyjnych i przemysłowych.

Gdzie obecnie stosuje się silniki z magnesami neodymowymi?

Silnik z magnesami neodymowymi stał się dominującą technologią napędową w przemyśle pojazdów elektrycznych, preferowanym wyborem w przypadku wysokowydajnych przemysłowych serwomechanizmów oraz niezbędnym elementem elektryfikacji samolotów i statków morskich. Konkretne sektory, w których te silniki wywierają największy wpływ, obejmują:

• Elektryczne silniki trakcyjne pojazdów: Zdecydowana większość pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorami i pojazdów hybrydowych typu plug-in sprzedawanych na całym świecie wykorzystuje: silnik z magnesem neodymowym jako główna jednostka napędowa. Typowy silnik trakcyjny EV dla pasażerów zawiera pomiędzy 1,0 i 2,5 kilograma magnesów neodymowych, a dokładna ilość zależy od mocy znamionowej silnika i konkretnej topologii wirnika. Według analizy rynku przeprowadzonej w 2023 r. przez Adamas Intelligence, światowy sektor pojazdów elektrycznych zużył ok 20 000 ton magnesów neodymowo-żelazowo-borowych w 2022 r., a według prognoz do 2030 r. liczba ta wzrośnie ponad dwukrotnie w miarę przyspieszania produkcji pojazdów elektrycznych. Sprawność silnika ma bezpośredni wpływ na zasięg jazdy nowoczesnego pojazdu elektrycznego w trybie NEDC lub WLTP: każdy punkt procentowy wzrostu wydajności przekłada się na około 2% do 3% dodatkowego zasięgu z tej samej pojemności akumulatorów, dlatego producenci samochodów dużo inwestują w optymalizację konstrukcji silników z magnesami trwałymi.
• Automatyka i robotyka przemysłowa: W bardzo precyzyjnych serwomotorach, które pozycjonują ramiona robotów, osie obrabiarek CNC i sprzęt do produkcji półprzewodników, niemal powszechnie stosowane są wirniki neodymowe. Wysoki stosunek momentu obrotowego do bezwładności A silnik z magnesem neodymowym umożliwia przyspieszenie rzędu 10 000 obrotów na minutę na sekundę lub więcej, umożliwiając robotowi typu pick-and-place wykonanie cyklu w ułamku sekundy. Brak luzu i wysoka sztywność reakcji tych silników są niezbędne dla uzyskania submikronowej dokładności pozycjonowania wymaganej w płytkowych stepperach i optycznych systemach wyrównywania.
• Generatory turbin wiatrowych: Generatory z magnesami trwałymi z napędem bezpośrednim do wielomegawatowych turbin wiatrowych eliminują skrzynię biegów, która jest najbardziej wymagającym w utrzymaniu i podatnym na awarie elementem konwencjonalnej turbiny wiatrowej. Morski generator wiatrowy o mocy 6 MW z napędem bezpośrednim może pomieścić ponad 600 kilogramów magnesów neodymowych umieszczonych w wirniku o dużej średnicy, który obraca się z tą samą niską prędkością co łopatki turbiny. Wzrost wydajności wynikający z usunięcia strat w skrzyni biegów z nadwyżką rekompensuje wyższy koszt magnesu w ciągu 25-letniego projektowego okresu eksploatacji turbiny.
• Przemysł lotniczy i obronny: Inicjatywa dotycząca bardziej elektrycznych samolotów i pojawiające się elektryczne pojazdy do pionowego startu i lądowania (eVTOL) w miejskich pojazdach poruszających się w powietrzu wymagają silników o najwyższym możliwym stosunku mocy do masy. A silnik z magnesem neodymowym zaprojektowane do zastosowań lotniczych i kosmicznych, mogą osiągnąć ciągłą gęstość mocy przekraczającą 5 kilowatów na kilogram , czyli mniej więcej dwukrotnie więcej niż silnik indukcyjny o równoważnej mocy znamionowej. Ta oszczędność masy jest najważniejsza w samolocie, gdzie każdy kilogram masy silnika zmniejsza ładowność lub zasięg.
• Elektronika użytkowa i sprzęt AGD: Bezszczotkowe silniki prądu stałego w bezprzewodowych odkurzaczach, suszarkach do włosów, wentylatorach chłodzących komputery i układach napędowych dronów działają w oparciu o miniaturowe magnesy neodymowe, które zapewniają wymagany moment obrotowy w niezwykle kompaktowej obudowie. Wysokiej klasy bezprzewodowy silnik próżniowy obraca się z pełną prędkością 100 000 obr./min i mieści się w dłoni, co jest możliwe tylko dzięki gęstości strumienia zapewnianej przez neodymowy wirnik.

Produkcja silnika z magnesem neodymowym: kluczowe etapy procesu

Produkcja wysokowydajnego silnika z magnesem neodymowym wymaga precyzyjnego zintegrowania spiekanych bloków magnesów ze stosem laminacji wirnika, a następnie namagnesowania, wyważenia dynamicznego i rygorystycznych testów na końcu linii w celu sprawdzenia wydajności i parametrów cieplnych. Krytyczne etapy produkcji są następujące:

1. Zespół rdzenia stojana: Cienkie laminaty ze stali elektrotechnicznej, zwykle o grubości od 0,20 do 0,35 milimetra, są dziurkowane lub wycinane laserowo, układane w stosy i spawane lub blokowane. Szczeliny stojana są izolowane, a wstępnie uformowane cewki miedziane są wstawiane za pomocą zautomatyzowanych maszyn do nawijania. W silnikach trakcyjnych dużej mocy coraz częściej stosuje się uzwojenia typu „spinka do włosów” wykonane z prostokątnego drutu miedzianego, ponieważ pozwalają one uzyskać wyższy współczynnik wypełnienia szczeliny – do 70% do 75% w porównaniu z 45% do 55% w przypadku uzwojeń z drutu okrągłego, co zmniejsza opór i poprawia chłodzenie.
2. Wkładanie magnesu wirnika: Bloki magnesów neodymowych, które zostały obrobione maszynowo do precyzyjnych wymiarów i pokryte niklem, żywicą epoksydową lub aluminium w celu zapobiegania korozji, są wkładane w szczeliny w stosie laminacji wirnika. W konstrukcjach z wewnętrznymi magnesami trwałymi (IPM) magnesy są umieszczone we wnękach w kształcie litery V lub delta, które oprócz momentu obrotowego magnesu stałego wytwarzają moment reluktancji magnetycznej. Magnesy mogą być zabezpieczone żywicą epoksydową, owijką kevlarową lub tuleją ustalającą, w zależności od prędkości powierzchniowej wirnika.
3. Namagnesowanie: Po zmontowaniu wirnik umieszcza się w uchwycie magnesującym o wysokim polu magnetycznym, który generuje impulsowe pole magnetyczne przekraczające granicę 30 000 oerstedów , nasycając materiał neodymowy w pożądany wzór biegunów. Powszechne jest również magnesowanie na miejscu całkowicie zmontowanego silnika, ponieważ eliminuje to konieczność manipulowania silnie namagnesowanymi wirnikami podczas montażu.
4. Równoważenie dynamiczne: Ponieważ wirnik A silnik z magnesem neodymowym często pracuje z prędkościami przekraczającymi 15 000 obr/min w zastosowaniach elektrycznych, musi być wyważony do bardzo wąskiego stopnia, zazwyczaj G2.5 lub G1.0 zgodnie z ISO 1940-1. Siły niewyważenia rosną wraz z kwadratem prędkości obrotowej, zatem nawet kilka gram-milimetrów niewyważenia resztkowego może generować niedopuszczalne wibracje i obciążenia łożysk przy maksymalnej prędkości.
5. Końcowy montaż i testowanie: Stojan i wirnik są dopasowane, łożyska osadzone, a osłony końcowe zabezpieczone. Każdy produkowany silnik przechodzi serię zautomatyzowanych testów, obejmujących rezystancję uzwojenia, rezystancję izolacji, analizę kształtu fali elektromagnetycznej, prąd jałowy i mapowanie wydajności przy pełnym obciążeniu. A silnik z magnesem neodymowym przeznaczone do trakcji samochodowej muszą również przejść testy odporności na wstrząsy termiczne i wibracje, które symulują 15 lat pracy w pojeździe.

Wyzwania i przyszły rozwój technologii silników z magnesami neodymowymi

Pomimo zalet w zakresie wydajności, silniki z magnesami neodymowymi stoją przed trzema poważnymi wyzwaniami: koncentracją w łańcuchu dostaw pierwiastków ziem rzadkich, zmiennością cen i ryzykiem trwałego rozmagnesowania w podwyższonych temperaturach. Pierwiastki ziem rzadkich: neodym, prazeodym, dysproz i terb są wydobywane i przetwarzane głównie w jednym regionie geograficznym, a oddzielenie tych chemicznie podobnych pierwiastków wymaga intensywnej dla środowiska ekstrakcji rozpuszczalnikiem. W odpowiedzi projektanci silników realizują dwie uzupełniające się strategie. Pierwszą z nich jest technologia dyfuzji na granicy ziaren, która polega na nałożeniu cienkiej warstwy dysprozu lub terbu wyłącznie na powierzchnię ziaren neodymu w magnesie, co zmniejsza duże zużycie pierwiastków ziem rzadkich poprzez 30% do 50% przy jednoczesnym osiągnięciu równoważnej przymusu. Drugim jest opracowanie topologii silników niezawierających pierwiastków ziem rzadkich lub o zmniejszonej zawartości pierwiastków ziem rzadkich, wykorzystujących magnesy ferrytowe lub zasady przełączanej reluktancji do zastosowań, w których bezwzględna maksymalna gęstość mocy nie jest nadrzędnym wymaganiem. Badania opublikowane przez Narodowe Laboratorium w Oak Ridge wykazały, że synchroniczny silnik reluktancyjny na bazie ferrytu może osiągnąć 85% do 90% gęstości mocy równoważnego silnika neodymowego przy znacznie niższych kosztach, chociaż różnica w wydajności zwiększa się przy wysokich poziomach momentu obrotowego. Przyszłość silnik z magnesem neodymowym prawdopodobnie będzie obejmować rozwidlenie: wysokowydajne, drogie silniki NdFeB do pojazdów elektrycznych klasy premium, samolotów i precyzyjnych serwomechanizmów oraz tańsze alternatywne technologie silników do zastosowań wrażliwych na cenę, gdzie dodatkowe kilka procent wydajności nie uzasadnia wydatku na magnes.

Często zadawane pytania dotyczące silników z magnesami neodymowymi

Czy silnik z magnesem neodymowym może z czasem stracić swój magnetyzm?

W normalnych warunkach pracy w określonym zakresie temperatur: a silnik z magnesem neodymowym zachowuje swoje namagnesowanie przez dziesięciolecia. Koercja odpowiednio dobranych gatunków jest wystarczająca, aby przeciwstawić się rozmagnesowaniu powodowanemu przez pole stojana i drganiom. Jednakże długotrwałe narażenie na temperatury przekraczające maksymalny limit roboczy magnesu — zwykle od 150 do 180 stopni Celsjusza w przypadku gatunków wysokotemperaturowych — może spowodować częściową i trwałą utratę magnetyzmu. Dlatego zarządzanie temperaturą silnika i wybór odpowiedniego gatunku magnesu dla oczekiwanej temperatury gorącego punktu są istotnymi kwestiami projektowymi.

Co dzieje się z silnikiem z magnesem neodymowym pod koniec jego żywotności?

Magnesy neodymowe w silniku można odzyskać w procesie recyklingu, który obejmuje rozmagnesowanie wirnika, usunięcie magnesów i ponowne użycie ich bezpośrednio w nowym silniku lub ponowne przetworzenie na nowy proszek magnetyczny. Unijna ustawa o zrównoważonych surowcach krytycznych i podobne przepisy obowiązujące w innych regionach stymulują inwestycje w infrastrukturę do recyklingu magnesów. Obecne metody recyklingu hydrometalurgicznego i pirometalurgicznego pozwalają odzyskać ponad 90% zawartych w nich pierwiastków ziem rzadkich, chociaż koszt recyklingu pozostaje konkurencyjny tylko wtedy, gdy ceny tlenku neodymu wzrosną.

Jak zmienia się wydajność silnika z magnesem neodymowym w zależności od obciążenia?

A silnik z magnesem neodymowym utrzymuje stosunkowo płaską krzywą wydajności w szerokim zakresie obciążenia, zwykle utrzymując się powyżej 90% od 25% do 120% obciążenia znamionowego. Kontrastuje to korzystnie z silnikami indukcyjnymi, których sprawność znacznie spada przy niewielkim obciążeniu, ponieważ prąd magnesowania pozostaje stały niezależnie od wyjściowego momentu obrotowego. Szerokie okno o wysokiej wydajności to jeden z powodów, dla których silniki neodymowe są preferowane w pojazdach elektrycznych, które podczas jazdy miejskiej działają w szerokim zakresie prędkości i momentu obrotowego.

Czy możliwe jest zbudowanie silnika z magnesami neodymowymi bez ciężkich pierwiastków ziem rzadkich?

Tak, nie zawiera ciężkich pierwiastków ziem rzadkich silnik z magnesem neodymowym projekty są już w fazie produkcji do zastosowań, w których szczytowa temperatura robocza utrzymuje się poniżej około 120 stopni Celsjusza. W silnikach tych zastosowano magnesy neodymowo-żelazowo-borowe o wyjątkowo drobnym uziarnieniu, zwykle mniejszym niż 2 mikrony, co zwiększa koercję poprzez przypinanie granic ziaren bez potrzeby stosowania dysprozu lub terbu. W przypadku silników trakcyjnych pracujących w wyższych temperaturach technologia dyfuzji na granicy ziaren polega na zastosowaniu cienkiej powłoki bogatej w dysproz wokół każdego ziarna magnesu, co pozwala uzyskać wysoką koercję przy całkowitej zawartości ciężkich pierwiastków ziem rzadkich wynoszącej mniej niż 1% wagowy.

The silnik z magnesem neodymowym stanowi prawdziwą, skokową zmianę w elektromechanicznej konwersji energii, zapewniając najwyższą gęstość momentu obrotowego i wydajność spośród wszystkich dostępnych na rynku technologii silników. Jego szerokie zastosowanie w pojazdach elektrycznych, automatyce przemysłowej, energii odnawialnej i przemyśle lotniczym jest bezpośrednią konsekwencją niezrównanych właściwości magnetycznych magnesów trwałych neodymowo-żelazowo-borowych. Chociaż obawy związane z łańcuchami dostaw pierwiastków ziem rzadkich i zmiennością kosztów w dalszym ciągu motywują badania nad alternatywnymi topologiami silników, wymierne oszczędności energii i redukcje emisji gazów cieplarnianych, które umożliwiają te silniki, zapewniają, że pozostaną one kamieniem węgielnym globalnych wysiłków na rzecz elektryfikacji przez nadchodzące dziesięciolecia.