В настоящее время электрические машины в транспортных средствах в основном используют дорогие редкоземельные магниты NdFeB, что создает экономические и экологические проблемы из-за растущего спроса. Данное исследование рассматривает последние достижения в области конструирования двигателей и магнитных материалов, чтобы выявить и оценить перспективы решения этой проблемы. 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. В работе анализируются различные альтернативные конструкции двигателей по сравнению с традиционным синхронным двигателем с постоянными магнитами (в иностранной литературе PMSM). Кроме того, оценивается потенциал ферритовых и переработанных магнитов NdFeB в качестве замены первичным магнитам NdFeB. С помощью детального моделирования в исследовании сравниваются производительность и экономическая эффективность этих решений с эталонным синхронным двигателем с постоянными магнитами (PMSM), при рассмотрении которых можно прийти к выводу, что использование магнитов NdFeB в PMSM привело к более высокой плотности крутящего момента, меньшей пульсации момента, более высокому КПД и меньшей длине пакета по сравнению с ферритами. Учитывая их перспективные эксплуатационные характеристики и потенциал в электрических двигателях следующего поколения, рекомендуется, чтобы будущие исследования были сосредоточены на новых технологиях, таких как двигатели с гибридным возбуждением, аксиально-потоковые и синхронные двигатели с реактивным ротором, с акцентом на технологичность изготовления, а также на новых магнитных материалах, таких как FeN и MnBi.
Currently, electric vehicles mainly use expensive rare-earth NdFeB magnets, which creates economic and environmental challenges due to the growing demand. This study examines the latest advancements in motor design and magnetic materials to identify and evaluate the potential solutions to this problem. The purpose of the study is to evaluate the prospects of using alternative magnetic materials (ferrites, recycled NdFeB) and promising motor designs (PMaSynRM, WFSM, SynRM, hybrid excitation) as a replacement for expensive and environmentally problematic NdFeB magnets in traction electric drives, and to identify the most suitable solutions for the industry. The paper analyzes various alternative motor designs compared to the traditional permanent magnet synchronous motor (PMSM in foreign literature). In addition, the potential of ferrite and recycled NdFeB magnets as a replacement for primary NdFeB magnets is evaluated. Through detailed simulations, the study compares the performance and cost-effectiveness of these solutions with a reference permanent magnet synchronous motor (PMSM), which suggests that the use of NdFeB magnets in PMSM results in higher torque density, lower torque ripple, higher efficiency, and shorter package length compared to ferrites. Given their promising performance and potential in next-generation electric motors, it is recommended that future research focus on new technologies such as hybrid-excited, axial-flux, and jet-rotor synchronous motors, with a focus on manufacturing feasibility, as well as new magnetic materials such as FeN and MnBi.
1. Poudel B., Amiri E., Rastgoufard P., Mirafzal B. Toward Less Rare-Earth Permanent Magnet in Electric Machines: A Review // IEEE Transactions on Magnetics. 2021. Vol. 57. Is. 9. Art. № 900119. DOI: 10.1109/TMAG.2021.3095615.
2. Yang Y., Walton A., Sheridan R. et al. Recovery from End-of-Life NdFeB Permanent Magnet Scrap: A Critical Review // Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 3. Р. 122–149. DOI: 10.1007/s40831-016-0090-4.
3. Hioki K. Development of High-Performance Hot-Deformed Neodymium–Iron–Boron Magnets without Heavy Rare-Earth Elements // Materials. 2023. Vol. 16. Is. 19. 6581. DOI: 10.3390/ma16196581.
4. Bailey G., Mancheri N., Van Acker K. Sustainability of permanent rare earth magnet motors in (H) EV industry // J. Sustain. Metall. 2017. Vol. 3. Р. 611–626. DOI: 10.1007/s40831-017-0118-4.
5. Zakotnik Miha. Performance Comparison of Motors Fitted with Magnet-to-Magnet Recycled or Conventionally Manufactured Sintered NdFeB // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.04.034.
6. Kimiabeigi M., Sheridan R. S., Widmer J. D., Walton A., Farr M., Scholes B., Harris I. R. Production and Application of HPMS Recycled Bonded Permanent Magnets for a Traction Motor Application // IEEE Trans. Ind. Electron. 2017. Vol. 99. DOI: 10.1109/TIE.2017.2762625.
7. Ma Q., El-Refaie A., Lequesne B. Low-Cost Interior Permanent Magnet Machine with Multiple Magnet Types // IEEE Trans. Ind. Appl. 2020. Vol. 56. Is. 2. Р. 1452–1463. DOI: 10.1109/TIA.2020.2966458.
8. Chai W., Kwon J. W., Kwon B. Analytical Design of a Hybrid-Excited Wound Field Synchronous Machine for the Improvement of Torque Characteristics // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 87414–87421. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2993317.
9. Ghosh M. K., Grainger B., McElhinny S., Brody R., Cui J., Sherman A., Ohodnicki P. Multiphysics Design and Optimization of a Rare-Earth Free, Manganese Bismuth Based, Surface Mounted Permanent Magnet Machine // IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). USA, 21–23 June 2023. DOI: 10.1109/ITEC55900.2023.10186907.
10. Rom C. L., Smaha R. W., O’Donnell S., Dugu S., Bauers S. R. Emerging magnetic materials for electric vehicle drive motors // MRS Bulletin. 2024. Vol. 49. P. 738–750. DOI: 10.1557/s43577-024-00743-4.
11. Saito T., Yamamoto H., Nishio-Hamane D. Production of Rare-Earth-Free Iron Nitride Magnets (a-Fe16N2) // Metals. 2024. Vol. 14. Is. 6. P. 734. DOI: 10.3390/met14060734.
12. Keszler M., Grosswendt F., Assmann A. C., Krengel M., Maccari F., Gutfleisch O., Sebold D., Guillon O., Weber S., Bram M. Direct Recycling of Hot-Deformed Nd–Fe–B Magnet Scrap by Field-Assisted Sintering Technology // Advanced Energy and Sustainability Research. 2024. Vol. 5. Is. 1. 2300184. DOI: 10.1002/aesr.202300184.
13. Zheng S., Zhu X., Xiang Z., Xu L., Zhang L., Lee C. H. Technology trends, challenges, and opportunities of reduced-rare-earth PM motor for modern electric vehicles // Green Energy Intell. Transp. 2022. 1:100012. DOI: 10.1016/j.geits.2022.100012.
14. Zhang L., Liu X., Ouyang X., Chen W. Characteristic analysis of conventional pole and consequent pole IPMSM for electric vehicle application // Energy Reports. 2022. Vol. 8. Is. 4. P. 259–269. DOI: 10.1016/j.egyr.2021.11.023.
15. Park H. J., Lim M. S. Design of High Power Density and High Efficiency Wound-Field Synchronous Motor for Electric Vehicle Traction // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 46677–46685. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2907800.
16. Rafaq M. S., Midgley W., Steffen T. A Review of the State of the Art of Torque Ripple Minimization Techniques for Permanent Magnet Synchronous Motors // IEEE Trans. Ind. Inform. 2024. Vol. 20. Is. 1. Р. 1019–1031 DOI: 10.1109/TII.2023.3272689.