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電動機也許不再需要昂貴的稀土

作者:admin 發表時間:2013/1/7 13:57:31 閱讀:

 在元素周期表上,鏑(Dy)和釹(Nd)的確是不被常人所熟知的元素,但是在高端電動汽車制造商的眼中,它們是非常重要的。
  
  這兩種元素均是強磁材料,在某些場合比如電動汽車所使用的大功率電動機中,這些強磁材料顯得至關重要。然而遺憾的是,這兩種元素均是來自稀土礦中的稀有金屬元素。就如同其名字所暗示的那樣,可供開采的鏑礦和釹礦非常稀少。
  
  目前,中國是全球稀土的主要產地,其產量占世界供應量的95%左右。外媒認為,中國政府幾乎壟斷了稀土市場,這推高了稀土的價格。所以,發明一種不需要鏑和釹的電動機將會有很大的利潤,幾個研發組織認為他們或許已經找到了一個解決辦法。
  
  這種不依賴稀土礦的設計就是開關磁阻式電動機。這種設想其實已經有100多年的歷史了,可時至今日,人們才制造出一個高性能且適合汽車的實用電動機。電動機的結構設計推陳出新,由性能強大、可快速轉換的半導體芯片構成,操控磁阻電動機的電控系統運行更為精密,開關磁阻式電動機由此獲得了新生。
  
  比利時根特的Inverto研發公司,其研發總監JohnDeClercaq帶領著工程師和比利時根特大學、英國薩里大學以及一些不知名的汽車制造商合作造出了一個用于電動汽車的開關磁阻式電動機。
  
  而英國紐卡斯爾大學的研究人員和幾家公司正在合作生產一種同時用于汽車和卡車的開關磁阻式電動機。
  
  日本和美國也在進行類似的研究,東京理工大學的NobukazuHoshi所領導的研究團隊已經試驗將開關磁阻式電動機應用于馬自達賽車。
  
  據了解,開關磁阻式電動機與普通電動機的主要區別在于是否使用永久磁鐵。對普通的直流電動機而言,其由兩部分組成:運動的轉子和固定的定子。定子通常做外殼,永久磁鋼安裝在定子內。轉子運行于電機外殼內,其上環繞著銅線繞組,作為電磁體。線圈內電流周期性換向,電機因此運行。線圈電流換向導致電磁體極性轉換,轉子在永久磁場和旋轉的電磁場之間的推力和拉力的作用下旋轉運行。
  
  普通電動機通過旋轉開關即換向器實現電流換向:換向器上的導條與碳刷接觸,轉子旋轉時導電條在碳刷下方運行,線圈繞組經由導電條連接電刷通電。盡管現代化的電動機使用了電子控制系統來代替換向器,但其基本的運行原理與換向器一樣。
  
  開關磁阻式電動機與傳統電動機的換向原理是一致的,但其除了沒有電刷以外,還不需要永久磁鐵,也不需要使用稀土等類似的材料。這都是因為在工作原理上開關磁阻式電動機采用了最小磁阻原理。
  
  磁阻和電阻比較類似。正如電流會沿著最小的電阻路徑流通,而磁通(即磁力線)也會選擇最小磁阻的磁路。鐵恰是又便宜又好的低磁阻材料。
  
  Inverto公司的開關磁阻式電動機使用鐵片作為磁阻電機轉子材料,銅線繞組分布在定子內。而繞組線圈通電由控制系統決定,繞組通電產生磁通。繞組磁通會巡著最小磁阻磁路,也就是由鐵片組成的疊片轉子。轉子趨向調整自身位置使得磁通所經磁路磁阻最小,轉子因此轉動。
  
  然而控制系統會不斷地檢測轉子的運動狀態,轉換繞組通電電流,阻止轉子繼續沿其慣性方向調整。從而保證轉子旋轉運行。
  
  這樣一來,控制問題已經得到解決,但開關磁阻式電動機仍然存在不足之處。比如,輸出給定同樣扭矩,開關磁阻式電動機的體積要比含有永磁鐵的電動機大。不過,開關磁阻式電動機所需要的材料成本更為低廉。此外,其轉矩特性更適用于汽車性能。
  
  在高速行駛中,開關磁阻式電動機不像永磁鐵電動機那樣快的失去扭矩,這對超車加速過程有利。在發動機失靈時候,也更加安全。對于永磁鐵電動機來說,如果失去動力,轉速會迅速下降,將會造成不可預期的剎車后果,而且也會損傷發動機。與之形成鮮明對比的是,開關磁阻式電動機在失去動力的時候將會靠慣性滑行。
  
  除此之外,與電動車內的永磁鐵電動機一樣,開關磁阻式電動機制動減速過程中也可充當發電機。基本上,發電機將運動轉化為電,而電動機正好相反將電轉化為運動。電動機斷電減速時所發的電恰好可補充電動機在剎車時電池所耗費的能量。
  
  紐卡斯爾大學的研究人員正與印度大型企業塔塔鋼鐵合作,用特殊的鋼材來尋求更高效的磁通量以便獲得更大的功率。他們同時與當地的電力電子制造公司Sevcon,以及制造發動機的美國CumminsGeneratorTechnologies公司進行技術合作,該公司制造應用于混合動力卡車的磁阻電動機引擎。
  
  紐卡斯爾高級電動驅動器中心的負責人詹姆斯。威德默說:在高速運行中,這種新的開關磁阻式電動機性能遠超目前最好的永磁鐵電動機,而且成本還要更低廉。
  
  具有這么多的優勢,不難想象,更高效的開關磁阻式電動機很快就將出現。雖然這并不意味著該設計可以馬上商業化,但起碼對于鏑和釹元素的需求會有顯著下降。


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