IDTechEx обсуждает 4 способа устранения редкоземельных элементов в электродвигателях и один, о котором вы еще не слышали

БОСТОН, 14 августа 2023 г. /PRNewswire/ -- Использование редкоземельных элементов в различных современных технологиях на протяжении многих лет привлекает внимание. Но с ростом спроса на электромобили (EV) эта проблема вышла на первый план. 82% рынка электромобилей в 2022 году использовали электродвигатели на основе редкоземельных постоянных магнитов. Китай в значительной степени контролирует поставки редкоземельных металлов, и это привело к значительной волатильности цен в предыдущие годы с большим скачком в 2011/2012 году и большим ростом в период с 2021 по 2022 год. Важно отметить, что по сравнению с некоторыми другими технологиями можно использовать несколько методов для исключения использования редкоземельных элементов в электродвигателях, которые будут изложены в этой статье вместе с плюсами, минусами и внедрением.

Эта статья основана на последнем отчете IDTechEx «Электрические двигатели для электромобилей 2024-2034», в котором анализируются различные технологии двигателей с точки зрения производительности, материалов, принятия на рынке и будущего потенциала.

Если кратко описать конструкцию электродвигателя, то неподвижная часть (статор) имеет катушки из металла (обычно меди), на которые подается электрический ток для создания магнитного поля. Это поле затем будет вращать вращающуюся часть двигателя (ротор). В двигателе с редкоземельными постоянными магнитами (ПМ) магниты расположены на роторе.

1. Асинхронный двигатель

В асинхронном двигателе (или асинхронном двигателе) вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, индуцирует токи в роторе, который, в свою очередь, создает магнитное поле, которое притягивается или отталкивается от радиального поля обмоток статора. В асинхронном двигателе на роторе используются медные или алюминиевые стержни или обмотки. Эти двигатели обычно обеспечивают хорошую пиковую мощность и плотность крутящего момента в течение коротких периодов времени, но могут оказаться сложными в термическом управлении и обычно имеют более низкий КПД, чем варианты с постоянными магнитами.

Асинхронные двигатели были распространены на рынке электромобилей и были основным выбором Tesla до выпуска модели 3 (в которой использовалась конструкция с постоянными магнитами). На автомобильном рынке остаются некоторые сторонники, такие как Audi и Mercedes, но асинхронные двигатели в настоящее время в основном используются в качестве вторичных двигателей, используемых для ускорения, поскольку они не создают сопротивления, когда они не используются, что устраняет необходимость в развязывающем устройстве.

2. Двигатель с фазным ротором

Синхронный двигатель с фазным ротором (WRSM), также известный как синхронный двигатель с внешним возбуждением (EESM), заменяет магниты на роторе катушечными обмотками, которые могут питаться постоянным током для создания магнитного поля. Это имеет то преимущество, что позволяет управлять полем как статора, так и ротора. Недостатками являются дополнительные производственные этапы, необходимые для добавления обмоток к ротору, а также необходимы щетки для передачи мощности на ротор. Исторически эти двигатели также имели меньшую мощность и плотность крутящего момента, но современные версии сопоставимы с двигателями с постоянными магнитами.

Renault была одним из первых сторонников этой технологии в Zoe, но теперь BMW и Nissan переняли эту конструкцию, а компания MAHLE уровня 1 представила версию с беспроводной передачей мощности на ротор, исключающую использование щеток.

3. Реактивный двигатель с переключателем

Реактивные двигатели с переключателем (SRM) потенциально являются наиболее простыми в конструкции, поскольку ротор в основном изготовлен из стали. Сталь ротора имеет низкое сопротивление по сравнению с воздухом вокруг него, поэтому магнитный поток преимущественно проходит через сталь, пытаясь сократить путь его потока, вращая ротор. Несмотря на свою простоту и надежность, SRM обычно имеют меньшую мощность и плотность крутящего момента, а также другие проблемы, включая пульсации крутящего момента и акустический шум.

Хотя SRM в основном ограничиваются более промышленными или тяжелыми приложениями, значительные усилия прилагаются к их разработке для электромобилей. Такие компании, как Turntide Technologies, добавили больше полюсов ротора и статора и разработали более сложные системы управления для решения традиционных проблем. Британская компания Advanced Electric Machines разработала новый тип двигателя с сегментированным ротором, который остается простым по конструкции, но, как утверждается, устраняет акустический шум и пульсации крутящего момента, одновременно улучшая мощность и плотность крутящего момента; этот дизайн является центром проекта совместно с Bentley.