磁性材料有助于打破壟斷
隨著全球制造的電動汽車和卡車越來越多,圍繞建造性能*、綠色的理想汽車的競爭正在展開。競爭目標(biāo)是研制一種牽引電機(jī),其功率、可靠性和重量至少與當(dāng)今行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的稀土永磁同步電機(jī)一樣,但不含稀土元素。釹和鏑等稀土元素帶來了高昂的環(huán)境成本和供應(yīng)鏈風(fēng)險,而中國對這些元素持有近乎壟斷的份額。
在這種背景下,得益于通用航空航天公司的材料科學(xué)突破,同步磁阻電機(jī)引起了人們的興趣。已知有兩家公司正在開發(fā)具有非凡特性的材料,通用公司就是其中之一。這種非凡特性是指,當(dāng)暴露在強(qiáng)磁場中時,材料的不同區(qū)域被磁化強(qiáng)度完全不同,要么完全沒有被磁化,要么被高度磁化。在2023年一篇令人印象深刻的論文中,通用公司的研究人員報告稱,他們使用一種雙相磁性材料為同步磁阻電機(jī)生產(chǎn)了一種無稀土轉(zhuǎn)子,該電機(jī)有著引人矚目的特性。
“我相信這種材料會改變游戲規(guī)則!盜EEE會士、威斯康星州密爾沃基馬奎特大學(xué)電氣與計算機(jī)工程教授艾曼?艾爾拉菲(Ayman El-Refaie)說。艾爾拉菲于2005年發(fā)起了通用公司的雙相材料項目。
通用公司的突破性材料
在測試中,通用公司電機(jī)的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī),這些傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)除了轉(zhuǎn)子由傳統(tǒng)磁性材料制成以外,其他方面都與通用的電機(jī)相同。例如,在一次試驗中,帶有雙相轉(zhuǎn)子的電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1.4萬轉(zhuǎn)/分時,功率輸出為23千瓦;同等轉(zhuǎn)速下傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子電機(jī)的功率輸出僅為3.7千瓦。實驗通用電機(jī)的峰值效率為94%,與目前商用電動汽車中使用的*佳電機(jī)不相上下。
要理解雙相材料的前景,可以從同步磁阻電機(jī)的一些基礎(chǔ)知識開始。它們與其他電機(jī)一樣,有一個定子和一個轉(zhuǎn)子。定子中旋轉(zhuǎn)的磁場會磁化并作用于轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子通常由一種名為電工鋼的鐵磁合金制成。然后,轉(zhuǎn)子會因為一種名為磁阻的現(xiàn)象而旋轉(zhuǎn),磁阻是一種會導(dǎo)致鐵磁材料與磁場的磁力線對齊的特性。定子旋轉(zhuǎn)磁場時,磁化的轉(zhuǎn)子會不斷地與旋轉(zhuǎn)的磁場對齊,從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
轉(zhuǎn)子和定子之間的磁相互作用會使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),磁相互作用集中在轉(zhuǎn)子和定子上均勻間隔、被稱為磁極的位置。不過,來自轉(zhuǎn)子磁極的這些磁力線往往會互相干擾,減少可用于連接到相應(yīng)定子磁極的磁力線或磁通量。通用公司雙相材料研究團(tuán)隊的另一位資深人士、現(xiàn)任明尼阿波利斯Niron Magnetics公司首席技術(shù)官的弗蘭克?約翰遜(Frank Johnson)說:“這會降低電機(jī)產(chǎn)生的總扭矩,因為產(chǎn)生的扭矩主要取決于轉(zhuǎn)子和定子中電機(jī)磁極之間的磁通鏈!
要將磁極在磁性上彼此隔離,一種選擇是*小化轉(zhuǎn)子磁極周圍的橋和柱結(jié)構(gòu)。在磁性材料較少的情況下,這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁通量較少,因此產(chǎn)生的干擾也較少。不過,這并不是一個很好的選擇,因為將結(jié)構(gòu)*小化會使這些區(qū)域變窄,導(dǎo)致機(jī)械性能變?nèi)酢_@種弱點(diǎn)會極大地限制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度,從而限制電機(jī)的功率。
不過,使用雙相材料,就可以使橋和柱不被磁化,而且可以使其更寬、更結(jié)實。通用公司在其實驗性電機(jī)中就是這樣做的。
目前還沒有哪家公司能提供適用于大功率機(jī)器的雙相磁性材料,《科技縱覽》采訪過的人也沒有能夠表明通用航空航天公司是否會許可或制造這種材料。(通用航空航天公司拒絕讓研究人員接受《科技縱覽》的相關(guān)采訪。)除了通用公司,已知的*一家從事雙相磁性材料研究的公司是前身為日立金屬株式會社的Proterial公司。
馬奎特大學(xué)的艾爾拉菲表示,隨著進(jìn)一步的開發(fā),通用公司的雙相材料可以得到改進(jìn)。例如,該材料的*大飽和磁通密度為1.5特斯拉,遠(yuǎn)低于普通電工鋼的極限值2特斯拉。磁通密度是衡量材料磁化強(qiáng)度的指標(biāo)。
不過,技術(shù)進(jìn)步可能并非實現(xiàn)商業(yè)化的*大障礙。約翰遜說:“找到愿意并且能夠生產(chǎn)用于制造雙相轉(zhuǎn)子的軋制金屬板的鋼鐵生產(chǎn)商是一個重要的障礙。我們開發(fā)的合金具有非常低的成本要素,這就產(chǎn)生了矛盾,使其成為一個很難的商業(yè)案例,除非有非常大的制造量,并投資大量的設(shè)備!
如果這種材料真的投入大規(guī)模生產(chǎn),那么其優(yōu)勢將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同步磁阻電機(jī)。馬奎特大學(xué)、韓國慶山慶南大學(xué)和俄羅斯烏法科技大學(xué)的項目已經(jīng)證明了雙相材料在永磁同步電機(jī)和發(fā)電機(jī)中的優(yōu)勢。
艾爾拉菲說:“受益的不僅僅是內(nèi)部永磁電機(jī)(IPM)機(jī)器,出于不同的原因,它在其他類型的機(jī)器中也有優(yōu)勢!