چگونه آهنرباهای NdFeB خودروهای برقی را به راه می‌اندازند: طراحی موتور و انتخاب مواد

استفاده موتورهای الکتریکی خودروهای برقی از آهنرباهای NdFeB با کیفیت بالا (N42-N52)

عملکرد خودروهای برقی به توانایی موتورهای کششی آن‌ها بستگی دارد که انرژی الکتریکی را به قدرت مکانیکی تبدیل می‌کنند. این موتورها به شدت به آهنرباهای NdFeB با کیفیت بالا (N42-N52) برای دستیابی به بهره‌وری بهینه، چگالی توان و گشتاور مناسب متکی هستند.

برتری مغناطیسی آهنرباهای NdFeB

آهنرباهای NdFeB که از نئودیمیوم، آهن و بور تشکیل شده‌اند، قوی‌ترین نوع آهنرباها هستند مغناطیس‌های دائمی امروزه در دسترس هستند. خواص مغناطیسی برجسته آنها از جمله پسماند مغناطیسی بالا (Br)، نیروی کویرسیتی (Hc) و حداکثر ضرب‌الاجمال انرژی (BH)max، آنها را برای کاربردهایی که نیازمند راه‌حل‌های مغناطیسی فشرده اما قدرتمند هستند، مناسب می‌کند.

در موتورهای الکتریکی خودروهای برقی، استفاده از آهنرباهای گرید N42-N52 NdFeB مزایای مهمی را به همراه دارد:

• چگالی قدرت بالا این آهن‌ها این امکان را فراهم می‌کنند تا موتورها در یک بسته کوچکتر، قدرت بیشتری تولید کنند و در نتیجه اندازه و وزن کلی سیستم محرکه کاهش یابد.
• بهره‌وری انرژی میدان مغناطیسی قوی تولید شده توسط آهنرباهای NdFeB باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شود، کارایی موتور را بهبود می‌بخشد و برد خودرو را افزایش می‌دهد.
• پایداری حرارتی گریدهایی مانند N52 به گونه‌ای طراحی شده‌اند که خواص مغناطیسی خود را در دماهای بالا حفظ کنند و عملکرد قابل اعتمادی را تحت شرایط سنگین تضمین نمایند.

نکات طراحی موتورهای خودروی برقی

طراحان موتور باید به دقت گرید مناسب NdFeB را بر اساس عواملی مانند دمای کاری، گشتاور مورد نیاز و محدودیت‌های هزینه انتخاب کنند. به عنوان مثال:

• گرید N42 : تعادل بین عملکرد و هزینه را فراهم می‌کند و برای کاربردهای استاندارد EV مناسب است.
• درجه N52 : بالاترین محصول انرژی را ارائه می‌دهد و برای خودروهای پرقدرت که تمرکز اصلی در آنها حداکثر کردن چگالی توان است، ایده‌آل است.

شرکت‌هایی مانند AIM Magnet  در تولید آهنرباهای NdFeB سفارشی تخصص دارند و راه‌حل‌های متناسب با نیازهای تولیدکنندگان خودروهای الکتریکی ارائه می‌دهند. تخصص آنها در زمینه طراحی مغناطیس و انتخاب مواد، عملکرد بهینه موتور را ضمن رعایت استانداردهای صنعتی سفت و سخت، تضمین می‌کند.

تأثیر بر عملکرد خودروهای الکتریکی

ادغام آهنرباهای NdFeB با کیفیت بالا مستقیماً بر معیارهای کلیدی مانند شتاب، برد و کارایی باتری تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال:

• موتور جرثقیل خودروی Tesla Model 3 از آهنرباهای NdFeB برای دستیابی به راندمان اوج بیش از 97% استفاده می‌کند که این امر به بردی معادل تا 358 مایل (با یک شارژ) تبدیل می‌شود.
• Audi e-tron GT بهره‌مند از فناوری پیشرفته آهنرباهای NdFeB است تا قدرتی معادل 590 اسب بخار فراهم کند و شتاب صفر تا 60 مایل در ساعت را در عرض 3.3 ثانیه محقق سازد.

مطالعه موردی: آهنرباهای سینتر شده آنهوی هانهای برای موتورهای کارآمد از نظر انرژی

شرکت فناوری مغناطیسی آنهوی هانهای، یک تولیدکننده پیشرو در زمینه مغناطیس‌های سنتر NdFeB ، نقش مهمی در پیشرفت فناوری موتورهای خودروهای برقی داشته است. مطالعه موردی آنها به‌خوبی نشان می‌دهد که چگونه آهنرباهای با دقت بالا، کارایی و عملکرد از نظر انرژی را بهبود می‌بخشند.

فرآیند تولید آهنرباهای NdFeB سینتر شده

آهنرباهای NdFeB سینتر شده از طریق یک فرآیند تخصصی تولید می‌شوند که شامل مراحل زیر است:

• فرآوری پودر فلزی : پودرهای ریز نئودیمیوم، آهن و بور با هم ترکیب شده و به شکل دلخواه پرس می‌شوند.
• سینترینگ : پودر فشرده شده در دمای بالا قرار گرفته و ساختاری متراکم و بلوری تشکیل می‌شود.
• ماشین‌کاری و پوشش‌دهی : آهنربا با دقت ماشین‌کاری شده و روکشی برای حفاظت در برابر خوردگی و غیرمغناطیسی شدن اعمال می‌شود.

این فرآیند منجر به تولید آهنرباهایی با خواص مغناطیسی برجسته و استحکام سازه‌ای بالا می‌شود که کاربرد آنها را در کاربردهای با عملکرد بالا مانند موتورهای خودروهای برقی بسیار مناسب می‌کند.

کاربرد در موتورهای انرژی-کارآمد

آهنرباهای سینتر شده NdFeB شرکت آنهوی هانهای در موتورهای چندین تولیدکننده بزرگ خودروهای الکتریکی (EV) استفاده شده است، از جمله:

• BYD : خودروهای مجهز به باتری بلیت (Blade Battery) با استفاده از آهنرباهای شرکت آنهوی هانهای به راندمانی بالای 95% در موتور دست می‌یابند.
• نیو : SUV مدل ES8 با استفاده از این آهنرباها قادر به طی کردن مسافت 311 مایل و شتاب‌گیری سریع است.

این موتورها نشان می‌دهند که چگونه مغناطیس‌های سنتر NdFeB بهبودهای قابل توجهی در تبدیل انرژی فراهم کرده و موجب کاهش تولید گرما و افزایش عمر باتری می‌شوند.

نوآوری همکارانه

شرکت آنهوی هانهای به‌صورت نزدیک با تولیدکنندگان خودروهای الکتریکی (OEMs) همکاری می‌کند تا طراحی آهنرباها را با توجه به معماری خاص هر موتور بهینه کند. برای مثال:

• الگوهای مغناطیس‌کاری سفارشی‌شده برای افزایش چگالی گشتاور (Torque).
• پوشش‌های پیشرفته برای بهبود پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی.

چنین همکاری‌هایی اهمیت یکپارچه‌سازی خنثکاری در زمینه مغناطیس در فرآیند گسترده‌تر توسعه خودروهای برقی.

چالش‌های شرکت‌های سازنده: کمبود عناصر خاکی کمیاب باعث تاخیر در تولید خودروهای برقی در هند می‌شود

انتقال جهانی به خودروهای برقی آسیب‌پذیری‌های موجود در زنجیره تأمین عناصر خاکی کمیاب را آشکار کرده است، به ویژه این موضوع کشورهایی مانند هند را که به شدت به واردات متکل هستند تحت تأثیر قرار می‌دهد.

وابستگی به عناصر خاکی کمیاب

آهنرباهای NdFeB نیازمند مقدار قابل توجهی از نیودیمیوم و دیسپروسیوم دو عنصر خاکی کمیاب هستند که عمدتاً در چین استخراج و پردازش می‌شوند. حدود 80 درصد از عناصر خاکی کمیاب جهان از چین منشا دارند که این امر باعث ایجاد چالش‌های ژئوپلیتیک و لجستیکی برای تولیدکنندگان خودروهای برقی می‌شود.

تأثیر بر تولید خودروهای برقی در هند

برنامه‌های جاه‌طلبانه هند برای الکتریفیکه کردن بخش حمل‌ونقل با چالش‌هایی مواجه شده است:

• اختلالات زنجیره تأمین : تنش‌های تجاری و محدودیت‌های صادراتی باعث کمبود آهنرباهای NdFeB با کیفیت بالا شده است.
• افزایش هزینه‌ها : قیمت نئودیمیوم و دیسپروزیوم به‌طور چشمگیری نوسان کرده است و این امر هزینه تولید شرکت‌های OEM هندی مانند تاتا موتورز و ماهیندرا الکتریک را افزایش داده است.
• تاخیر در تولید : عرضه چندین مدل خودروی برقی با تاخیر مواجه شده است، زیرا تولیدکنندگان در حال تلاش برای تأمین منابع جایگزین آهنربا هستند.

راهکارهای کاهش خسارات

برای مقابله با این چالش‌ها، هند در حال بررسی موارد زیر است:

• استخراج معادن داخلی : اقداماتی برای توسعه معادن عناصر خاکی کمیاب در ایالت‌هایی مانند اوریسا و جهارخند
• فناوری‌های بازیافت : همکاری با شرکت‌هایی مانند AIM Magnet برای بررسی بازیافت آهنرباهای ارضی کمیاب , که می‌تواند تا 95٪ از عناصر ضروری را از آهنرباهای فرسوده بازیابی کند.
• تنوّع در زنجیره تأمین : همکاری با کشورهایی مانند استرالیا و ایالات متحده آمریکا به منظور تضمین منابع جایگزین اراضی کمیاب.

جایگزین‌ها: محدودیت‌های آهنربای فریت در کارایی و اندازه

in حال مغناطیس‌های فریتی یک جایگزین مقرون به صرفه نسبت به NdFeB هستند، اما محدودیت‌های آن‌ها را در کاربردهای خودروهای برقی پرقدرت غیرمناسب می‌کند.

ویژگی‌های آهنربای فریت

آهنرباهای فریت که از اکسید آهن و باریم یا استرانسیم تشکیل شده‌اند، مزایای زیر را دارند:

• هزینه کم : حدود یک دهم قیمت آهنرباهای نئودیمیوم (NdFeB).
• مقاوم در برابر خوردگی : مقاومت طبیعی در برابر زنگ زدگی و اکسیداسیون.
• دسترسی گسترده : مواد اولیه به وفور یافت می‌شوند و در سراسر جهان پراکنده شده‌اند.

 با این حال خواص مغناطیسی آنها به مراتب ضعیف‌تر از NdFeB است:

• حاصل‌ضرب انرژی پایین‌تر : آهنرباهای فریت دارای حداکثر حاصل‌ضرب انرژی (BH)max در محدوده ۱ تا ۵ MGOe هستند، در حالی که این مقدار برای NdFeB بین ۳۵ تا ۵۲ MGOe است.
• ثبات حرارتی ضعیف : آنها در دماهای بالای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند و بنابراین استفاده از آنها در کاربردهای با توان بالا محدود است.

مزایای کارایی و اندازه

در موتورهای الکتریکی خودروهای برقی، استفاده از آهنرباهای فریتی منجر به:

• اندازه موتور بزرگ‌تر : برای دستیابی به گشتاور قابل مقایسه، موتورهای مبتنی بر فریت باید 2 تا 3 برابر بزرگ‌تر از موتورهای نئودیمیم باشند.
• کارایی کمتر : موتورهای فریتی معمولاً با راندمانی در حدود 85 تا 90 درصد کار می‌کنند، در حالی که راندمان موتورهای نئودیمیم 95 تا 97 درصد است.
• چگالی توان پایین‌تر : این موضوع به معنای شتاب کمتر و عملکرد کلی ضعیف‌تر خودرو است.

موارد کاربردی که آهنرباهای فریتی در آن ممتاز هستند

با وجود محدودیت‌هایشان، آهنرباهای فریتی برای موارد زیر مناسب هستند:

• کاربردهای کم‌توان : مانند برف‌پاک‌کننده‌های شیشه جلو، پنجره‌های برقی و سیستم‌های تهویه مطبوع در خودروها.
• بازارهای حساس به هزینه : جایی که دامنه حرکت و عملکرد اهمیتی فرعی دارند.

نتیجه‌گیری

آهنرباهای نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) برای موفقیت خودروهای برقی ضروری هستند و باعث دستیابی به راندمان و عملکرد بالایی می‌شوند که مصرف‌کنندگان انتظار دارند. در عین حال چالش‌هایی مانند کمبود عناصر خاکی کمیاب و هزینه‌های بالای مواد همچنان وجود دارد. نوآوری‌های انجام شده در طراحی آهنرباها، بازیافت و استفاده از مواد جایگزین، آینده فناوری خودروهای برقی را شکل خواهد داد.

شرکت‌هایی مانند AIM Magnet  در ادامه این تحول نقش دارند و فناوری پیشرفته‌ای را فراهم می‌کنند مغناطیس های نئودیمیوم و راهکارهای مغناطیسی که انرژی نسل بعدی حمل و نقل پایدار را فراهم می‌کند. با بلوغ صنعت، تعادل استراتژیک بین عملکرد، هزینه و پایداری همچنان ضروری خواهد بود تا گسترش جهانی خودروهای برقی را تسریع کند.