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电动机也许不再需要昂贵的稀土

信息来源:步进电机驱动器供应商倍斯特自动化    添加时间:2018-02-01
在元素周期表上,镝(Dy)和钕(Nd)的确是不被常人所熟知的元素,但是在高端电动汽车制造商的眼中,它们是非常重要的。

这两种元素均是强磁材料,在某些场合比如电动汽车所使用的大功率电动机中,这些强磁材料显得至关重要。然而遗憾的是,这两种元素均是来自稀土矿中的稀有金属元素。就如同其名字所暗示的那样,可供开采的镝矿和钕矿非常稀少。

目前,中国是全球稀土的主要产地,其产量占世界供应量的95%左右。外媒认为,中国政府几乎垄断了稀土市场,这推高了稀土的价格。所以,发明一种不需要镝和钕的电动机将会有很大的利润,几个研发组织认为他们或许已经找到了一个解决办法。

这种不依赖稀土矿的设计就是开关磁阻式电动机。这种设想其实已经有100多年的历史了,可时至今日,人们才制造出一个高性能且适合汽车的实用电动机。电动机的结构设计推陈出新,由性能强大、可快速转换的半导体芯片构成,操控磁阻电动机的电控系统运行更为精密,开关磁阻式电动机由此获得了新生。

比利时根特的Inverto研发公司,其研发总监John De Clercaq带领着工程师和比利时根特大学、英国萨里大学以及一些不知名的汽车制造商合作造出了一个用于电动汽车的开关磁阻式电动机。

而英国纽卡斯尔大学的研究人员和几家公司正在合作生产一种同时用于汽车和卡车的开关磁阻式电动机。

日本和美国也在进行类似的研究,东京理工大学的Nobukazu Hoshi所领导的研究团队已经试验将开关磁阻式电动机应用于马自达赛车。

据了解,开关磁阻式电动机与普通电动机的主要区别在于是否使用永久磁铁。对普通的直流电动机而言,其由两部分组成:运动的转子和固定的定子。定子通常做外壳,永久磁钢安装在定子内。转子运行于电机外壳内,其上环绕着铜线绕组,作为电磁体。线圈内电流周期性换向,电机因此运行。线圈电流换向导致电磁体极性转换,转子在永久磁场和旋转的电磁场之间的推力和拉力的作用下旋转运行。

普通电动机通过旋转开关即换向器实现电流换向:换向器上的导条与碳刷接触,转子旋转时导电条在碳刷下方运行,线圈绕组经由导电条连接电刷通电。尽管现代化的电动机使用了电子控制系统来代替换向器,但其基本的运行原理与换向器一样。

开关磁阻式电动机与传统电动机的换向原理是一致的,但其除了没有电刷以外,还不需要永久磁铁,也不需要使用稀土等类似的材料。这都是因为在工作原理上开关磁阻式电动机采用了最小磁阻原理。

磁阻和电阻比较类似。正如电流会沿着最小的电阻路径流通,而磁通(即“磁力线”)也会选择最小磁阻的磁路。铁恰是又便宜又好的低磁阻材料。

Inverto公司的开关磁阻式电动机使用铁片作为磁阻电机转子材料,铜线绕组分布在定子内。而绕组线圈通电由控制系统决定,绕组通电产生磁通。绕组磁通会巡着最小磁阻磁路,也就是由铁片组成的叠片转子。转子趋向调整自身位置使得磁通所经磁路磁阻最小,转子因此转动。

然而控制系统会不断地检测转子的运动状态,转换绕组通电电流,阻止转子继续沿其惯性方向调整。从而保证转子旋转运行。

这样一来,控制问题已经得到解决,但开关磁阻式电动机仍然存在不足之处。比如,输出给定同样扭矩,开关磁阻式电动机的体积要比含有永磁铁的电动机大。不过,开关磁阻式电动机所需要的材料成本更为低廉。此外,其转矩特性更适用于汽车性能。

在高速行驶中,开关磁阻式电动机不像永磁铁电动机那样快的失去扭矩,这对超车加速过程有利。在发动机失灵时候,也更加安全。对于永磁铁电动机来说,如果失去动力,转速会迅速下降,将会造成不可预期的刹车后果,而且也会损伤发动机。与之形成鲜明对比的是,开关磁阻式电动机在失去动力的时候将会靠惯性滑行。

除此之外,与电动车内的永磁铁电动机一样,开关磁阻式电动机制动减速过程中也可充当发电机。基本上,发电机将运动转化为电,而电动机正好相反将电转化为运动。电动机断电减速时所发的电恰好可补充电动机在刹车时电池所耗费的能量。

纽卡斯尔大学的研究人员正与印度大型企业塔塔钢铁合作,用特殊的钢材来寻求更高效的磁通量以便获得更大的功率。他们同时与当地的电力电子制造公司Sevcon,以及制造发动机的美国Cummins Generator Technologies公司进行技术合作,该公司制造应用于混合动力卡车的磁阻电动机引擎。

纽卡斯尔高级电动驱动器中心的负责人詹姆斯·威德默说:“在高速运行中,这种新的开关磁阻式电动机性能远超目前最好的永磁铁电动机,而且成本还要更低廉。”

具有这么多的优势,不难想象,更高效的开关磁阻式电动机很快就将出现。虽然这并不意味着该设计可以马上商业化,但起码对于镝和钕元素的需求会有显著下降。


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