Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,279
ALTERNATIVE MAGNETIC MATERIALS AND MOTORS FOR ELECTRIC DRIVES
Введение
Данное исследование посвящено изучению последних достижений в области электрических двигателей (ЭД) и магнитных материалов, которые позволяют сократить или полностью исключить использование редкоземельных постоянных магнитов, через анализ безмагнитных и магниторедукторных конструкций двигателей.
Рис. 1. Цены на неодим (USD за кг, очищенный металл 99,5 %) с 2010 по 2025 г. Примечание: составлен авторами на основе источника [6]
Неодим-железо-борные (Nd₂Fe₁₄B) магниты высоко ценятся за их непревзойденную магнитную энергию в тяговых машинах, однако их высокая стоимость и зависимость от поставок с Китая на рынке создают геополитические и экономические риски [1, 2]. Их ценовая волатильность очевидна из значительных скачков в 2012 и 2022 гг., что проиллюстрировано на рис. 1. Таким образом, существует необходимость в поиске альтернативных решений для обеспечения будущего высокоэффективных ЭД и электромобилей.
Электрические двигатели играют ключевую роль в переходе к устойчивому транспорту, предлагая значительно более высокий КПД – примерно в 3 раза выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Поскольку электрификация автомобильного сектора набирает обороты, она напрямую решает критически важный источник выбросов, на долю транспорта приходится почти половина глобального объема выбросов CO₂ [3]. ДВС не только неэффективны, но и являются основными источниками вредных загрязнителей. Только в ЕС мелкодисперсные частицы из выхлопных газов ДВС связаны с более чем 300 000 случаев преждевременной смерти ежегодно [4]. Помимо CO₂ ДВС выбрасывают метан и оксиды азота – парниковые газы (ПГ) с гораздо более высоким потенциалом глобального потепления, что дополнительно усугубляет изменение климата и наносит ущерб здоровью органов дыхания.
Безотлагательность этого перехода подчеркивается текущим климатическим кризисом: глобальная температура уже повысилась на 1–1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем [5, 6], а прогнозы указывают на продолжение потепления, что угрожает экосистемам и биоразнообразию во всем мире.
Однако это растущее стремление к электрификации значительно увеличит спрос на редкоземельные постоянные магниты (РЗМ-ПМ) в электрических машинах, если гибридные и электромобили (HEV и EV) будут доминировать в продажах новых автомобилей в ближайшем будущем. С ростом популярности внедорожников их возросшие потребности в мощности будут потреблять больше редкоземельных материалов [7]. Ожидается, что спрос на тяговые машины к 2030 г. вырастет более чем в 10 раз, а прогнозы предсказывают до 140 млн электродвигателей для EV ежегодно к 2034 г., что дополнительно усугубляется потребностью и в других сферах (например, ветряные турбины) [8, 9]. Такой возросший спрос может экспоненциально увеличить стоимость РЗМ-ПМ и создает проблемы для производителей оригинального оборудования (OEM) в обеспечении стабильной, диверсифицированной цепочки поставок, с потенциальными экономическими потерями из-за сбоев в поставках. Кроме того, добыча редкоземельных материалов усугубляет разрушение окружающей среды, выбросы парниковых газов и небезопасные условия труда, угрожая устойчивости автомобильной промышленности [10]. Крупные производители техники, такие как John Deere, Fendt и Case IH, уже представили концепты и серийные модели электрических тракторов (например, Fendt e100 Vario, John Deere SESAM), что подтверждает растущий интерес отрасли к электроприводу.
Исследование восполняет пробел в знаниях, изучая производительность и жизнеспособность переработанных NdFeB-магнитов в тяговых электродвигателях. В то время как некоторые исследования, такие как [11], изучали переработанные магниты в сравнении с первичными, они были ограничены конкретными уровнями мощности – 385 Вт и 8,8 кВт соответственно. Более того, исследование [12] было сосредоточено исключительно на бесщеточном двигателе постоянного тока, который не используется в электромобилях. В исследованиях [13] сконцентрировано внимание на тяговый электродвигатель для электрической лодки, который, предположительно, должен быть приспособлен для низкоскоростной, высокомоментной работы, эффективности и долговечности в морских условиях с водяным охлаждением. В отличие от этого, ЭД в электромобилях требуют высокой выходной мощности, компактности и легкого веса с продвинутым отводом тепла при отсутствии избытка воды. Устаревший характер большей части существующей литературы не учитывает последние технологические разработки и тенденции, такие как растущее внедрение синхронных двигателей с обмоткой возбуждения (WFSM) крупными производителями, например BMW [14].
Цель исследования – оценить перспективы использования альтернативных магнитных материалов (ферритов, переработанных NdFeB) и перспективных конструкций двигателей (PMaSynRM, WFSM, SynRM, гибридное возбуждение) в качестве замены дорогим и экологически проблемным NdFeB-магнитам в тяговых электроприводах, с выявлением наиболее рациональных решений для промышленности.
Материалы и методы исследования
В данном исследовании использовался программный комплекс Ansys Motor-CAD версии 2023.2.2. Он был выбран для сбора данных благодаря широкому применению в моделировании электрических двигателей на этапе среднего уровня проектирования, с использованием аналитических методов и двумерного конечно-элементного анализа. В качестве эталонного двигателя для сравнения был выбран синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM).
Результаты исследования и их обсуждение
Тепловые характеристики моделировались на скорости 6000 об/мин с использованием стационарных расчетов для определения распределения температур, что показано на рис. 2. Контрольными точками являются: полюс ротора, поверхность статора, поверхность ротора, корпус и горячая точка обмотки. Данная скорость была выбрана потому, что она находится в диапазоне, где двигатели начинают проявлять тепловые ограничения и происходит снижение крутящего момента. Для базового двигателя с магнитами N45UH на рис. 2, a, самой горячей частью является обмотка (146,2 °C), за которой с небольшим отрывом следуют ярмо статора и корпус. Температура магнитов составляет приблизительно 124 °C, при этом температура снижается по направлению к внутренней части ротора и вала. Такое распределение указывает на то, что охлаждение обмотки можно улучшить, либо увеличив расход охлаждающей жидкости в минуту на слоях обмотки, либо используя водяной контур.
Примечательно, что у двигателей с переработанными магнитами наблюдается лишь незначительное повышение температуры в каждой из контрольных точек. Это не объясняет причину разницы в производительности, поэтому для дальнейшего обсуждения будет использован анализ переходных процессов. Замена магнитов на ферритовые в базовом двигателе привела к небольшому повышению температуры в большинстве ее частей. Синхронные реактивные двигатели с постоянными магнитами (PMaSynRM – Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) демонстрируют меньшее нагревание во всех областях, что можно объяснить большим объемом для распределения тепла и большей общей площадью поверхности.
На рис. 3 показано, как каждая технология двигателя была масштабирована для достижения крутящего момента приблизительно в 400 Н·м. Поскольку для масштабирования изменялась только высота оси вращения, базовые скорости у двигателей различаются. Базовый двигатель на магнитах NdFeB демонстрирует более плавное снижение крутящего момента в режиме ослабления поля по сравнению с другими двигателями. Базовый двигатель с переработанными магнитами потребовал увеличения высоты оси вращения на 3,5 %, что незначительно снизило его базовую скорость. Характеристики переработанных магнитов незначительно ухудшались после превышения базовой скорости. Их замена на ферритовые магниты привела к значительному снижению базовой скорости, что потребовало увеличения высоты оси вращения на 82 %. У двигателей PMaSynRM с магнитами NdFeB базовая скорость значительно ниже (около 3300 об/мин), а крутящий момент быстро падает с ростом скорости.
Рис. 2. Сравнение установившихся температур двигателей при 6000 об/мин: (a) – Базовый двигатель с магнитами N45UH, (b) – Базовый двигатель с переработанными магнитами, (с) – Базовый двигатель с ферритами, (d) – PMaSynRM с магнитами N45UH, (e) – PMaSynRM с переработанными магнитами, (f) – PMaSynRM с ферритами, (g) – WFSM Примечание: составлен авторами на основе полученных данных в ходе исследования
Аналогичным образом использование ферритов приводит к снижению базовой скорости, причем данный двигатель демонстрирует наиболее выраженное падение момента в режиме ослабления поля. По сравнению с PMaSynRM на первичных магнитах, осевая длина увеличилась на 2,9 % для переработанных магнитов и на 31 % для двигателей с ферритами. Синхронный двигатель с обмоткой возбуждения (WFSM), имеющий базовую скорость около 3800 об/мин, также показывает резкое падение крутящего момента, но ее характеристики во всем рабочем диапазоне лучше, чем у двигателей PMaSynRM.
Рис. 3. Максимальный крутящий момент в зависимости от скорости для различных конструкций двигателей и типов магнитов. Кривые: 1 – базовый PMSM (NdFeB); 2 – PMSM с переработанным NdFeB; 3 – PMSM с ферритами; 4 – PMaSynRM (NdFeB); 5 – PMaSynRM (ферриты); 6 – WFSM (медные обмотки возбуждения) Примечание: составлен авторами на основе полученных данных в ходе исследования
Таблица 1
Качественное сравнение свойств материалов и практических соображений, касающихся альтернативных магнитных материалов спеченному NdFeB, где «+» означает преимущество, а «−» – недостаток
|
Материал |
Свойства материала |
Практические соображения |
|
Переработанный NdFeB |
(BH)max< ~95 % Br ~97 %, Hcj ~102 % |
стоимость ~70 % от первичного |
|
NdFeB на полимерной основе |
(BH)max ~60 % Br ~65 %, Hcj ~55 % |
цена ~120 % из-за сложности |
|
Горячеформованный NdFeB |
(BH)max ~90 % Br ~98 %, Hcj ~95 % |
стоимость ~150 % (малая распространенность) |
|
Нитрид железа (FeN) |
(BH)max теоретически до 200 %, реально ~80 %, Hcj ~70 % |
без РЗМ, но фазовая нестабильность |
|
Марганец – висмут (MnBi) |
(BH)max ~40 %, Br ~50 %, Hcj растет с температурой |
без РЗМ, низкая окислительная стойкость |
|
Нитрид самария – железа (SmFeN) |
(BH)max ~85 %, Hcj ~120 % (при 150 °C) |
содержит самарий (РЗМ), термическая нестабильность |
Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
В табл. 1 суммированы ключевые преимущества и недостатки рассмотренных альтернативных магнитных материалов с точки зрения их магнитных свойств и практических аспектов. Сравнение свойств альтернативных магнитных материалов по отношению к спеченному NdFeB (базовый уровень – 100 %). «+» – преимущество, «–» – недостаток относительно базового материала.
При рассмотрении влияния ферритов и NdFeB на характеристики PMaSynRM результаты согласуются с выводами работ [11, 13]. Использование магнитов NdFeB в PMaSynRM привело к более высокой плотности крутящего момента, меньшей пульсации момента, более высокому КПД и меньшей длине пакета по сравнению с ферритами. Более того, двигатель на основе ферритов не смог достичь тех же пиковой и постоянной мощности, что и двигатель с магнитами NdFeB, и для создания того же момента ему потребовались бы большие размеры и вес.
Таблица 2
Преимущества (+) и недостатки (–) альтернативных конструкций двигателя по сравнению с базовым PMSM на магнитах NdFeB (базовый PMSM принимается за 100 % по моменту, КПД, стоимости, массе)
|
Технология |
Производительность двигателя |
Практическое применение |
|
PMaSynRM |
+ момент ~85 %, КПД ~92 % (у PMSM 96 %), пульсации момента выше на 30 % |
магнитов РЗМ на 40 % меньше, стоимость ~80 %, масса +15 % |
|
WFSM |
момент ~90 %, КПД на низких оборотах ~82 % (у PMSM 94 %), CPSR широкий |
без магнитов, но нужен возбудитель (+20 % к стоимости) |
|
SynRM |
момент ~60 %, КПД ~85 %, пульсации момента низкие |
стоимость ~50 % от PMSM, но масса +70 % |
|
Новые SRMs |
момент ~80 %, КПД ~90 %, но пульсации при малых нагрузках |
сложность производства (+30 % цены) |
|
Гибридное возбуждение |
момент ~110 %, КПД ~93 %, CPSR широкий |
магнитов РЗМ на 50 % меньше, но сложность схемы |
|
CPMs |
момент ~95 % от PMSM |
магнитов РЗМ на 60 % меньше, малоисследовано |
|
AFMs |
момент ~120 %, КПД ~97 % |
компактность, но сложность производства (+50 % к цене) |
Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Дополнительно исследование PMaSynRM с ферритами подтверждает вывод о том, что этот двигатель, хотя и намного дешевле, демонстрирует худшие характеристики во всем диапазоне скоростей по сравнению с PMSM [15].
Синхронные реактивные двигатели с постоянными магнитами (PMaSynRM) отличаются от более традиционных PMSM тем, что у них больше реактивного момента по сравнению с моментом магнитного выравнивания, что позволяет использовать меньше постоянных магнитов. Реактивный момент создается за счет разницы индуктивности между осями d и q, создаваемой воздушными полостями или магнитными барьерами, которые в PMSM были бы заполнены магнитами. Хотя они предлагают более высокую плотность крутящего момента и коэффициент мощности, чем SynRM, они не могут сравниться по производительности с PMSM [11, 12].
Недавние исследования также изучали синхронные двигатели с обмоткой возбуждения и гибридным возбуждением (HE-WFSM), комбинирующие редкоземельные постоянные магниты (RE-PM) и обмотку возбуждения на роторе. Эти двигатели обеспечивают повышенную эффективность и плотность крутящего момента, но также страдают от более высоких пульсаций момента и проблем с теплорегулированием. Один из примеров достиг увеличения максимального крутящего момента на 39 % и улучшения эффективности на 4 %, однако сложность массового производства, вероятно, является препятствием [16].
В табл. 2 описаны ключевые преимущества и недостатки рассмотренных альтернативных конструкций двигателя с точки зрения их производительности и практических аспектов.
Заключение
По результатам моделирования и сравнения с базовым PMSM на магнитах NdFeB можно сделать следующие выводы:
1. Ферритовые магниты не могут быть рекомендованы для прямого замещения NdFeB в PMSM без кардинального увеличения габаритов (высота оси +82 %, масса +70 %), что ухудшает массогабаритные показатели и увеличивает износ подшипников. Их применение оправдано только в низкобюджетных, некритичных к массе приводах.
2. Переработанные магниты NdFeB показывают незначительное снижение характеристик (BHmax ~95 % от первичных), требуют увеличения высоты оси всего на 3,5 % и могут быть рекомендованы как экологичная и экономичная альтернатива после отработки технологий утилизации.
3. Среди альтернативных конструкций двигателей наиболее перспективны для промышленного внедрения:
− WFSM – полностью без редкоземельных магнитов, с хорошей плотностью момента (до 90 % от PMSM) и широким диапазоном ослабления поля, однако требует решения проблем с КПД на низких оборотах.
− PMaSynRM – снижение использования магнитов RE на 40 %, момент и КПД приемлемы (85–90 %), но требуется повышение механической прочности ротора.
− Аксиально-потоковые машины (AFM) – высочайшая плотность момента (до 120 %) и КПД, но сложность серийного производства пока ограничивает их применение.
4. Не рекомендуются на данном этапе:
− чистый SynRM (слишком низкие момент и КПД);
− ферритовый PMaSynRM (значительное падение характеристик);
− новые SRM с пульсациями момента и сложной технологией.
Перспективы дальнейших исследований: экспериментальная проверка переработанных магнитов в натурном образце; разработка гибридных систем возбуждения с комбинированием ферритов и обмоток.
Conflict of interest
Financing
Библиографическая ссылка
Сафин А. Р., Шакурова З. М., Шавалеев Б. Д. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 6. С. 210-216;URL: https://top-technologies.ru/en/article/view?id=40837 (дата обращения: 03.07.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40837