Улучшенное охлаждение для высокомощных электродвигателей

Как пишет Ник Флахерти, исследователи в Корее разработали магнит сэндвич-структуры, способствующий улучшению охлаждения высокомощных двигателей, используемых в транспортных средствах и электронавигации.

Исследовательская группа Корейского института наук о материалах (KIMS) создала процесс диффузии и соединения на границах зерен сэндвич-структуры, при котором несколько слоев магнита складываются друг на друга и затем интегрируются.

По мере увеличения мощности двигателей, основанных на магнитах из неодима-железа-бора (Nd-Fe-B), становится всё сложнее сохранять высокую коерционную силу во всем объёме магнита. Кроме того, работа на высоких скоростях вызывает возникновение эдди-токов внутри магнита, что приводит к генерации тепла, снижению эффективности двигателя и ухудшению его характеристик.

Традиционно для поддержания магнитных свойств при высоких температурах добавляют тяжелые элементы редкоземельных металлов. В частности, широко используются процессы диффузии на границах зерен, при которых элементы редкоземельных металлов наносятся на поверхность магнита и диффундируют в его глубину.

Элементы редкоземельных металлов наносятся в виде покрытия или распыления на поверхность, после чего магнит нагревается в вакууме при температурах 900–1000 °C. Растопленные элементы быстро перемещаются вдоль жидких границ зерен и проникают во внешние края основных магнитных зерен. Это создает внешнюю оболочку из элементов редкоземельных металлов вокруг ядра из Nd-Fe-B.

Однако этот метод ограничен механизмом диффузии, основанным на поверхности зерен. Это затрудняет достижение значительного улучшения свойств внутри толстых магнитов и может приводить к перегреву.

Как правило, элементы редких земель, такие как неодим, диспрозий и тербий, являются дорогими и могут сталкиваться с проблемами в цепочке поставок при их закупке в Китае. Это создает серьезные трудности для цепочки поставок, что побуждает производителей магнитов сокращать использование этих элементов.

Чтобы избавиться от использования элементов редких земель, разработанный в KIMS процесс основан на легкой сплаве редких земель с низкой температурой плавления, в котором применяется прасеодим не только на поверхности, но и на границах межслойных структур. Это позволяет начать процесс диффузии также изнутри магнита. Благодаря этому достигается стабильная коэрцитивность даже у толстых магнитов, при этом обеспечивается одинаковая производительность во всей структуре. Кроме того, это снижает зависимость от дорогих элементов редких земель.

Эта технология также снижает генерацию тепла путем формирования структуры с высоким электрическим сопротивлением внутри магнита, что препятствует возникновению электромагнитных токов. В отличие от традиционных методов, требующих отдельных процессов для сегментации магнита, диффузии на границах зерен и изоляционного соединения, данный подход одновременно повышает коэрцитивную силу и электрическое сопротивление за счет единственного процесса диффузии на границах зерен. Такой интегрированный подход упрощает производство и одновременно улучшает магнитные, электрические и структурные свойства.

Полученные магниты можно использовать в двигателях тяги электромобилей, где сниженная генерация тепла и повышенная эффективность на уровне магнита способствуют улучшению общей производительности двигателя и энергоэффективности.

«Это исследование демонстрирует прорыв в одновременном достижении высокой коерционной силы и снижения генерации тепла в толстых магнитах», — сказала Су-Мин Ким, старший исследователь в KIMS.

«Особенностью этой технологии является то, что она объединяет повышение коерционной силы, улучшение электропроводности и структурное соединение в едином процессе. У этой технологии большой потенциал не только для двигателей электромобилей, но и для приложений, требующих крупных высокопроизводительных магнитов, таких как электрокорабли; ожидается, что она станет ключевой технологией материалов для двигателей следующего поколения», — добавил он.

Нажмите здесь, чтобы прочитать последний номер журнала E-Mobility Engineering.