磁性材料有助于打破壟斷

隨著全球制造的電動(dòng)汽車和卡車越來(lái)越多，圍繞建造性能*、綠色的理想汽車的競(jìng)爭(zhēng)正在展開(kāi)。競(jìng)爭(zhēng)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(lái)了高昂的環(huán)境成本和供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，而中國(guó)對(duì)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(kāi)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(chǎng)中時(shí)，材料的不同區(qū)域被磁化強(qiáng)度完全不同，要么完全沒(méi)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(bào)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(wú)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(huì)改變游戲規(guī)則。”IEEE會(huì)士、威斯康星州密爾沃基馬奎特大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授艾曼?艾爾拉菲（Ayman El-Refaie）說(shuō)。艾爾拉菲于2005年發(fā)起了通用公司的雙相材料項(xiàng)目。

通用公司的突破性材料

在測(cè)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(yàn)中，帶有雙相轉(zhuǎn)子的電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1.4萬(wàn)轉(zhuǎn)/分時(shí)，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(shí)驗(yàn)通用電機(jī)的峰值效率為94%，與目前商用電動(dòng)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(shí)開(kāi)始。它們與其他電機(jī)一樣，有一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子。定子中旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)會(huì)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(huì)因?yàn)橐环N名為磁阻的現(xiàn)象而旋轉(zhuǎn)，磁阻是一種會(huì)導(dǎo)致鐵磁材料與磁場(chǎng)的磁力線對(duì)齊的特性。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，磁化的轉(zhuǎn)子會(huì)不斷地與旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)對(duì)齊，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)子和定子之間的磁相互作用會(huì)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(guò)，來(lái)自轉(zhuǎn)子磁極的這些磁力線往往會(huì)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(duì)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(shuō)：“這會(huì)降低電機(jī)產(chǎn)生的總扭矩，因?yàn)楫a(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(guò)，這并不是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)閷⒔Y(jié)構(gòu)*小化會(huì)使這些區(qū)域變窄，導(dǎo)致機(jī)械性能變?nèi)�。這種弱點(diǎn)會(huì)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(guò)，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(shí)。通用公司在其實(shí)驗(yàn)性電機(jī)中就是這樣做的。

目前還沒(méi)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(guò)的人也沒(méi)有能夠表明通用航空航天公司是否會(huì)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(huì)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(kāi)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(guò)，技術(shù)進(jìn)步可能并非實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的*大障礙。約翰遜說(shuō)：“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(gè)重要的障礙。我們開(kāi)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(gè)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(shì)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同步磁阻電機(jī)。馬奎特大學(xué)、韓國(guó)慶山慶南大學(xué)和俄羅斯烏法科技大學(xué)的項(xiàng)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(shì)。

艾爾拉菲說(shuō)：“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(shì)。”

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