Покращена система охолодження для електродвигунів високої потужності

Як пише Нік Флахерті, дослідники в Кореї розробили магніт зі складною структурою, який покращує процес охолодження двигунів високої потужності, що використовуються у транспортних засобах та електронавігаційних пристроях.

Дослідницька група з Корейського інституту наук про матеріали (KIMS) розробила процес дифузії та з’єднання на межах зерен із складною структурою, під час якого кілька шарів магніту складаються один на одного та потім інтегруються.

У міру зростання потужності двигунів, що використовують магніти на основі неодиму-заліза-бору (Nd-Fe-B), стає все складніше зберігати високу коерцитивність у всьому магніті. Крім того, робота на високих швидкостях спричиняє виникнення електромагнітних струмів усередині магніту, що генерує тепло, яке призводить до погіршення характеристик та зниження ефективності двигуна.

Зазвичай для підтримки магнітних властивостей при підвищених температурах додають важкі елементи рідкісних земель. Особливо широкого поширення набули процеси дифузії на межах зерен, які полягають у нанесенні елементів рідкісних земель на поверхню магніту та дозволі їм дифундувати всередину.

Елементи рідкісних земель наносяться шаром або розпилюються на поверхню, після чого магніт нагрівається у вакуумі при температурах 900–1000 °C. Розплавлені елементи швидко рухаються вздовж рідких меж зерен та проникають у зовнішні краї основних магнітних зерен. Це створює зовнішню оболонку з елементів рідкісних земель навколо ядра Nd-Fe-B.

Однак цей підхід обмежений механізмом дифузії, який ґрунтується на поверхні зерен. Це ускладнює досягнення достатнього покращення характеристик у внутрішній частині товстих магнітів та може призводити до перегріву.

Зазвичай елементи рідкісних земель, такі як неодим, диспрозій та тербій, є дорогими, і їх постачання з Китаю може бути обмежене проблемами в ланцюзі постачання. Це створює серйозні труднощі в ланцюзі постачання, що змушує виробників магнітів скорочувати використання цих елементів.

Щоб уникнути використання елементів рідкісних земель, процес, розроблений у KIMS, ґрунтується на легкій сплаві рідкісних земель із низькою температурою плавлення, який містить прасеодим не лише на поверхні, а й на межах міжшарових структур. Це дозволяє почати процес дифузії також зсередини магніту. Це забезпечує стабільну коерцитивність навіть у товстих магнітах, водночас забезпечуючи однорідну продуктивність у всій структурі. Крім того, це зменшує залежність від дорогих елементів рідкісних земель.

Ця технологія також запобігає утворенню тепла шляхом створення структури з високою електропровідністю всередині магніту, що стримує утворення електромагнітних струмів. На відміну від традиційних підходів, які вимагають окремих процесів для сегментації магніту, дифузії на межах зерен та ізоляційного з’єднання, цей метод одночасно підвищує коерцитивність та електропровідність за допомогою єдиного процесу дифузії на межах зерен. Такий інтегрований підхід спрощує виробництво та покращує магнітні, електричні та структурні властивості.

Отримані магніти можна використовувати у двигунах тяги електромобілів, де менше утворення тепла та покращена ефективність на рівні магніту дозволяють підвищити загальну продуктивність двигуна та енергоефективність.

«Це дослідження демонструє прорив у одночасному досягненні високої коерцитивності та зниженню генерації тепла у товстих магнітах», — сказала Су-Мін Кім, старший дослідник у KIMS.

«Те, що відрізняє цю технологію, — це те, що вона поєднує підвищення коерцитивності, покращення електропровідності та структурне з’єднання в один процес. Ця технологія має великий потенціал не лише для двигунів електромобілів, а й для застосувань, які вимагають великих магнітів високої продуктивності, таких як електронаві судна, і очікується, що вона стане ключовою технологією матеріалів для двигунів наступного покоління», — додав він.

Натисніть тут, щоб прочитати останній випуск E-Mobility Engineering.