Poprawiona klimatyzacja dla silników elektrycznych o dużej mocy

Nick Flaherty pisze, że badacze z Korei opracowali magnes typu kanapki, który poprawia chłodzenie silników o dużej mocy stosowanych w pojazdach i statkach elektrycznych.

Zespół badawczy z Korea Institute of Materials Science (KIMS) opracował proces dyfuzji i łączenia granic ziaren o strukturze kanapki, w którym kilka warstw magnesu jest układanych jedna na drugiej, a następnie integrowanych.

W miarę wzrostu mocy silników wykorzystujących magnesy neodymowo-żelazno-borowe (Nd-Fe-B) staje się coraz trudniej utrzymać wysoką koercyjność w całym magnesie. Ponadto praca przy wysokich prędkościach powoduje powstawanie prądów wirowych wewnątrz magnesu, co generuje ciepło i prowadzi do pogorszenia jego wydajności oraz obniżenia efektywności.

Zazwyczaj do utrzymania właściwości magnetycznych w wysokich temperaturach dodaje się ciężkie pierwiastki ziem rzadkich (HRE). W szczególności szeroko stosowane są procesy dyfuzji na granicach ziaren, polegające na pokryciu powierzchni magnesu tymi pierwiastkami i umożliwieniu im dyfuzji do wewnątrz.

Pierwiastki HRE są nakładane na powierzchnię magnesu lub rozpylane, a następnie magnes poddawany jest ogrzewaniu w próżni w temperaturach od 900 do 1000°C. Topione pierwiastki szybko przemieszczają się wzdłuż granic ziaren i przenikają na zewnętrzne krawędzie głównych ziaren magnetycznych. W ten sposób wokół jądra Nd-Fe-B tworzy się zewnętrzna warstwa HRE.

Jednakże ten sposób jest ograniczony mechanizmem dyfuzji opartym na powierzchni ziaren. Sprawia to trudności w osiągnięciu wystarczającego poprawienia właściwości wewnątrz grubych magnesów i może prowadzić do przegrzewania.

Zazwyczaj pierwiastki rzadkich ziem metalicznych, takie jak neodym, dysprozyum i terbium, są drogie i mogą napotykać problemy w łańcuchu dostaw przy pozyskiwaniu ich z Chin. Stanowi to poważne wyzwania dla łańcucha dostaw, co skłania producentów magnesów do ograniczenia użycia tych pierwiastków.

Aby uniknąć użycia pierwiastków rzadkich ziem metalicznych, proces opracowany w KIMS opiera się natomiast na lekkiej stopie rzadkich ziem o niskiej temperaturze topnienia, wykorzystującej praseodym nie tylko na powierzchni, ale także w obszarach międzywarstwowych. Dzięki temu dyfuzja może rozpoczynać się również od wewnątrz magnesu. Zapewnia to stabilną koercyjność nawet w grubych magnesach, jednocześnie gwarantując jednolite właściwości w całej strukturze. Ponadto zmniejsza to zależność od drogich pierwiastków rzadkich ziem metalicznych.

Ta technologia przeciwdziała również wytwarzaniu ciepła poprzez tworzenie struktury o wysokiej rezystywności wewnątrz magnesu, co hamuje powstawanie prądów wirowych. W odróżnieniu od konwencjonalnych metod, które wymagają oddzielnych procesów do segmentacji magnesu, dyfuzji na granicach ziaren oraz izolacyjnego łączenia, ta metoda jednocześnie zwiększa koercyjność i rezystywność elektryczną poprzez jeden proces dyfuzji na granicach ziaren. Ten zintegrowany podejście upraszcza produkcję, jednocześnie poprawiając właściwości magnetyczne, elektryczne i strukturalne.

Otrzymane magnesy mogą być wykorzystywane w silnikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych, gdzie mniejsze wytwarzanie ciepła i lepsza efektywność na poziomie magnesu mogą poprawić ogólną wydajność silnika oraz efektywność energetyczną.

„To badanie pokazuje przełom w jednoczesnym osiąganiu wysokiej koercyjności oraz zmniejszonego wytworzenia ciepła w grubych magnesach” – powiedziała Su-Min Kim, starsza badaczka w KIMS.

Kliknij tutaj, aby przeczytać najnowszy numer czasopisma E-Mobility Engineering.