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磁阻英雄:无需使用昂贵稀土磁材料的电动机

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磁阻英雄:无需使用昂贵稀土磁材料的电动机

发布日期:2014-12-08 00:00 来源:http://www.umaqsh.com 点击:

  严格来说Dy镝元素和Nd钕元素并不是元素周期表中流传最广的元素,但是在高端电动机制造者眼中他们非常关键.这两种元素均是强磁材料,因此在某些场合比如电动汽车所使用的大功率电动机中,这些强磁材料变得至关重要.遗憾的是,这两种元素均是稀有金属,正如它们名字所说,可用稀土矿藏极其稀少.目前中国是稀土的主要供应来源,中国政府几乎垄断了稀土市场,推高了稀土价格.因此许多人有兴趣投资不含稀土材料的电动机.而一些研究团队认为他们已经有了一个方案. 

  他们所提到的设计就是所谓开关磁阻式电机.这一设想已经有100多年的历史,但是直到最近可用于汽车的高性能式开关磁阻电机才有了实践可能.电机结构设计推陈出新,而由于大功率、快速开关半导体芯片的出现,电机电子控制系统运行更为精密,开关磁阻电机由此进入新的阶段。

  Inverto是一家位于比利时根特的研发公司,它是开关磁阻电机开发的主要竞争者之一。JohnDe Clercq是该公司的研发经理,他所带领的研发工程师正与根特大学以及英国萨里大学合作,另外还有一些不具名的汽车制造商。他们已经开发出一台开关磁阻电机并安装在在汽车上运行。而英国另外一所大学纽卡斯尔的研究人员正在与一些公司合作开发可同时用于汽车和卡车的磁阻电机。美国与日本也在进行这些研究。由东京理科大学的Nobukazu Hoshi领导的小组已经试验将磁阻电机应用于马自达赛车。 

  下面我们来仔细的分析一下:

  磁阻电机与普通电机的主要区别在与前者不使用永久磁铁。普通电机(至少对直流电机而言)有两个部分:运动的转子和固定的定子。定子通常做外壳,永久磁钢安装在定子内。转子运行于电机外壳内,其上环绕着铜线绕组,作为电磁体。线圈内电流周期性换向,电机因此运行。线圈电流换向导致电磁体极性转换,转子在永久磁场和旋转的电磁场之间的推力和拉力的作用下旋转运行。

  传统电机通过旋转开关即换向器实现电流换向:换向器上的导条与碳刷接触,转子旋转时导电条在碳刷下方运行,线圈绕组经由导电条连接电刷通电。现代的电机使用电子控制系统代替换向器,基本运行原理与换向器一样。

  开关磁阻电机与常规的现代电机换向原理一样——此外它还是无刷电机。但是又与之不同,它不需要永久磁铁,稀土材料或其他类似的材料,因为其工作原理与之大相径庭:最小磁阻原理。

  磁学中的磁阻类似电学中电阻。正如电流沿着最小电阻路径流通,而磁通(即”磁力线”,回忆下小时候用磁条,纸张还有铁屑所做的试验吧)也会选择最小磁阻磁路。而铁是一种细致而便宜的材料,其磁阻很低。

  Inverto使用铁板作为磁阻电机转子材料,铜线绕组分布在定子内。而绕组线圈通电 

  由控制系统决定,绕组通电产生磁通。绕组磁通会巡着最小磁阻磁路--也就是叠片转子。转子趋向调整自身位置使得磁通所经磁路磁阻最小,转子因此转动。 

  然而控制系统会不断地检测转子的运动状态,转换绕组通电电流,阻止转子继续沿其惯性方向调整。从而保证转子旋转运行。即使控制问题已经得到解决,磁阻电机仍然存在不足之处。例如,输出给定同样扭力--转矩, 

  磁阻电机体积比永磁电机大。不过磁阻电机所需要的材料成本更为低廉更有实际意义。此外,De Clercq博士表示磁阻电机的转矩特性更适用汽车性能。 

  例如,磁阻电机高速阶段力矩减小缓于永磁电机。这对超车加速过程有利。磁阻电机在断电时也更安全。永磁电机断电时会快速停机(由于永磁体的存在),造成无法预料的制动后果。有可能损坏电机。而磁阻电机断电时转子随惯性运行至停机。此外,与电动车内的永磁电机一样,磁阻电机制动减速过程中也可充当发电机。(基本上,发电机将运动转化为电,而电动机程正好相反将电转化为运动。电机断电减速时所发的电恰好可补充电机在刹车时电池所耗费的能量)

  纽卡斯尔大学的研究人员正与一家印度大型企业Tata 钢铁合作,使用特殊的钢材提高磁通利用率从而提高输出功率。同时他们也与本地一电力电子制造公司Sevcon,以及一家美国集团子公司-卡明斯发电机技术合作,该公司制造应用于混合动力卡车的磁阻电动机引擎。James Widmer负责纽卡斯尔的高级电动驱动器中心——该市磁阻发动机研究集团之一,他表示他们所研制的新型电机在高速运行时,性能可能优于最好的永磁电机,而其所需成本更低。

  因此大功率开关磁阻电机很有可能实现。这并不意味着磁阻电机会量产出售,不过如果稀土价格持续走高,这一幕将很有可能会发生。如果是这样的话,Dy镝和Nd钕的需求会大幅减少。中国可能为了眼前的蝇头小利而后悔不已,想想童话里杀鸡取卵的农夫吧。


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