Моделирование двигателя электромобиля для оценки эффективности замены редкоземельных на ферритовые магниты

Современные экологические и экономические вызовы требуют от России активного развития технологий экологически чистого транспорта, которые уменьшают выбросы углекислого газа. Электромобили (ЭМ) представляют собой перспективное направление в этом контексте, так как они могут существенно снизить уровень загрязнений в крупных городах. Ключевой компонент электромобиля – электрический двигатель – определяет его эффективность и надежность, а значит, и перспективы массового внедрения данного вида транспорта на российском рынке.

На данный момент двигатели электромобилей широко используют неодимовые магниты благодаря их высокой магнитной индукции, что позволяет создавать компактные и мощные двигатели. Однако неодимовые магниты и другие редкоземельные материалы остаются крайне дорогими: цена на тонну неодима превышает 60 000 долл., что существенно увеличивает себестоимость производства электродвигателей. Важным фактором является то, что около 90 % мировой добычи редкоземельных металлов сосредоточено в Китае, и Россия, несмотря на наличие собственных запасов, пока не наладила значительное производство этих материалов в необходимом объеме. Это создает зависимость от импорта и делает производство электродвигателей уязвимым к колебаниям на международном рынке.

Альтернативой в данной ситуации могут стать ферритовые магниты, которые изготавливаются из доступных материалов, таких как железо и оксид бария или стронция, добываемых в России. Ферриты дешевле неодимовых магнитов и могут производиться внутри страны, что позволяет снизить импортозависимость и развивать отечественную цепочку производства компонентов для электродвигателей. Несмотря на более низкую магнитную индукцию, современные методы моделирования и оптимизации позволяют повысить производительность электродвигателей, сделав ферриты конкурентоспособными для электромобилей, особенно в условиях российской экономики.

Обзор литературы

Существует ряд научных работ, рассматривающих тему замены неодимовых магнитов ферритовыми. По большей части все они сходятся на том факте, что неодимовые магниты имеют большую магнитную индукцию нежели ферритовые, но при увеличении магнитного материала и оптимизации конструкции электрического двигателя варианты с ферритовыми магнитами могут выдавать крутящий момент немного меньше конструкции с неодимовыми магнитами при значительно меньшей стоимости. Рассмотрим некоторые научные работы.

Одна часть научных работ рассматривает разнообразие топологий роторов, включая такие системы (расположения, конфигурации) магнитов, как спицевые, поверхностные и внутренние конструкции, что позволяет лучше адаптировать двигатели к конкретным задачам, таким как высокая мощность, компактность или устойчивость к нагреву. Также в них изучается влияние различных размещений ферритовых магнитов на плотность магнитного потока и крутящий момент. В некоторых исследованиях рассматривается оптимизация размещения магнитов внутри ротора для достижения большей эффективности. Одна работа показывает, что переход на ферриты в роторе с внутренним расположением магнитов снижает демагнити-зацию и позволяет достичь эффективности, сравнимой с неодимовыми магнитами. В другой работе предлагается комбинированный дизайн статора и ротора, где ферритовые магниты используются для повышения долговечности при сохранении высокой мощности. Основное исследование также уделяет внимание конструкции роторов, но ограничивается несколькими конкретными конфигурациями [1–6].

Есть научные статьи, описывающие экологические и экономические аспекты применения ферритов, говорящие о том, что производство ферритовых магнитов требует меньше энергии и химикатов, что снижает углеродный след. В одной из работ рассматривается полный жизненный цикл двигателя, где ферриты обеспечивают снижение экологических затрат на 30 % по сравнению с неодимами. Также ферритовые магниты обходятся дешевле (примерно в 10–30 раз дешевле неодимов). Исследования подтверждают, что экономия достигается за счёт использования распространённых материалов и упрощённого производства. В одной из статей проводится оценка экономической выгоды использования ферритов для массового производства электродвигателей, результатами которой является снижение стоимость производства на 25–35 % [7–11].

В части научных работ для определения эффективности применения ферритовых магнитов в электродвигателях приводятся опытные испытания на различного рода транспортных средствах. Так, в ряде исследований была достигнута двигателями на ферритах производительность на уровне 80–88 % от двигателей на неодимах при значительных снижениях издержек, но увеличении объёмов ротора [12–15].

Основной задачей статьи является выявление наиболее эффективной конфигурации ротора синхронного электрического двигателя с ферритовыми магнитами и сравнение её с двигателем с неодимовыми магнитами, на базе которого и будут разрабатываться конфигурации. На основе сравнения необходимо понять, насколько жизнеспособным является замена в двигателях неодимовых магнитов ферритовыми при сохранении геометрических размеров статора и ротора и в каких вариантах использования данная замена будет наиболее целесообразна.

Таблица 1

Таблица 2

Сравнительный анализ неодимовых и ферритовых магнитов

Table 1

Comparative analysis of neodymium and ferrite magnets

Параметр	Неодимовые магниты	Ферритовые магниты
Магнитная индукция	До 1,4 Тл	До 0,4 Тл
Стоимость за тонну	60 000 долл.	2 000 долл.
Доступность сырья	Ограниченная	Высокая
Устойчивость к коррозии	Низкая	Высокая
Термостойкость	Средняя	Высокая

Характеристики электродвигателя Nissan Leaf

Table 2

Nissan Leaf Electric Motor Specifications

	Статор	Ротор
Внутренний диаметр, мм	130,96	–
Внешний диаметр, мм	198,22	129,97
Длина, мм	151,38	151,16
Количество полюсов	8

Главным параметром, определяющим эффективность и мощность двигателя, является плотность магнитного потока, создаваемого магнитами. Мощность магнитного поля магнитов, установленного на роторе, напрямую влияет на крутящий момент и частоту вращения двигателя. Магниты играют важную роль в формировании этого магнитного поля, обеспечивая постоянный поток без дополнительного энергопотребления. Долгое время предпочтение отдавалось неодимовым магнитам благодаря их высокой магнитной индукции, которая позволяет создавать компактные двигатели с высокой производительностью. Однако, несмотря на их преимущества, редкоземельные магниты, к которым относятся неодимовые, имеют ряд недостатков, включая высокую стоимость и ограниченные запасы, что делает их менее предпочтительными для массового производства в условиях текущей экономики.

Ферритовые магниты, в отличие от неодимовых, производятся из оксидов железа, бария и стронция, что делает их более доступными и менее затратными. Хотя их магнитная индукция составляет около 0,4 Тл (в три раза ниже, чем у неодимовых магнитов), ферриты обладают высокой устойчивостью к нагреву и менее подвержены воздействию коррозии. Эти особенности делают ферриты более долговечными в агрессивных средах и стабильными при повышенных температурах, что является преимуществом для электродвигателей, эксплуатирующихся в разнообразных климатических условиях. Ферритовые магниты имеют важное преимущество с точки зрения экологии, так как их добыча и производство менее энергоёмкие и не требуют применения сложных химических реагентов для очистки редкоземельных металлов, как в случае с неодимовыми магнитами (табл. 1).

За основу конструкции двигателя был взят электродвигатель, использующийся в электромобилях марки Nissan LEAF. Основные технические и размерные характеристики представлены в табл. 2.

В данном двигателе используется распределенный тип обмотки (встроенный сердечник статора), который обеспечивает преимущества магнитной цепи. Этот тип обмотки статора обеспечивает высокую выходную мощность за счет увеличения крутящего момента, возникающего в результате использования реактивного момента. Для статора была выбрана толщина листа электротехнической стали 0,3 мм, поскольку потери железа меньше, чем при толщине 0,35 мм, и это также облегчает герметизацию. В данном двигателе используется эмалированная проволока диаметром 0,75 мм, покрытая полиамидимидом. Статор серийно изготавливается с использованием устройства для автоматической установки обмоток. Обмотки высокой плотности изготавливаются с коэффициентом занимаемой площади более 70 % для обмоток, вставленных в пазы статора, что способствует улучшению тепловых характеристик [16].

Моделирование двигателяв COMSOL Multiphysics

Для проектирования электродвигателей с ферритовыми магнитами необходимо учитывать их специфику и адаптировать конструкцию под характеристики ферритов. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics представляет собой мощный инструмент для моделирования и оптимизации электродвигателей, так как оно позволяет учитывать не только магнитные свойства, но и механические факторы, влияющие на производительность.

Промоделирована работа двигателей с 4 конфигурациями роторов. Одна с неодимовыми магнитами, непосредственно идентичная конфигурации, установленной в электродвигателе Nissan Leaf (a); три – с ферритовыми магнитами: первая конфигурация отличается от варианта с неодимами только заменой магнитов на ферритовые, без изменения геометрических параметров (b); вторая помимо замены неодимов ферритами имеет отличную от ва- рианта (а) форму магнитов и сочетает в себе функции реактивного электродвигателя и двигателя с постоянными магнитами, что должно способствовать увеличению магнитного потока (c); третья конфигурация с ферритовыми магнитами отличается от первой (b), формой и размерами магнитов (d). На рис. 1 представлены все четыре варианта конфигурации ротора синхронного электрического двигателя. Изображены они в виде секторов с углом 45°.

I I - Неодимовые магниты

- Ферритовые магниты

a)

Рис. 1. Конфигурации рассматриваемых роторов Fig. 1. Configurations of the rotors under consideration

b)

c)

Рис. 2. Распределение магнитного потока в электрическом двигателе: а – двигатель с неодимовыми магнитами; b, c, d – двигатель с ферритовыми магнитами

Fig. 2. Distribution of magnetic flux in an electric motor: a – motor with neodymium magnets;

b, c, d – motor with ferrite magnets

d)

Выбор данных конфигураций роторов был сделан на основании ряда факторов. Касаясь конфигурации (b), стоит отметить, что она является точной копией конфигурации (а), что даёт возможность определить изменение крутящего момента при замене неодимовых магнитов ферритовыми без изменения конструкции ротора. Конфигурация (c) является разработанной авторами статьи под геометрические параметры электродвигателя Nissan Leaf и рассматривается как основная для замены неодимовых магнитов. Конфигурация (d) используется для определения необходимости изменения формы магнитов для увеличения эффективности двигателя, так как (d) имеет схожую ширину магнита с вариантом (b), но использует большее количество магнитного материала, примерно равное количеству магнитного материала в варианте (c). Оптимальность той или иной конфигурации определяется в расчётах, приведённых в данной работе.

На рис. 2 изображено распределение плотности магнитного потока в роторе и статоре электрического двигателя для каждой рассматриваемой конфигурации. Как можно видеть, замена неодимового магнита на ферритовый и изменение формы самих магнитов не сильно сказывается на пиковых значениях плотности магнитного потока. Единственное, от формы магнита, а точнее, от длины его участка, находящегося ближе всего к катушкам, зависит ширина области распространения наибольшего магнитного потока.

Амплитудное значение крутящего момента актуально для динамических условий, когда двигатель должен справляться с кратковременными нагрузками или ускорениями. На рис. 3 изображены амплитудные значения осевого крутящего момента для всех четырёх вариантов конфигурации ротора синхронного двигателя. Как можно видеть, наибольшее значение крутящего момента наблюдается у двигателя с неодимовыми магнитами (а). На втором месте располагается вариант с ферритовыми магнитами (c), сочетающий в себе ещё и функции реактивного электрического двигателя. В данном случае удалось добиться 81 % от крутящего момента двигателя с неодимом. На третьем месте по амплитуде крутящего момента стоит вариант с ферритовыми магнитами (b), повторяющий конфигурацию ротора с неодимовыми магнитами, способный выдавать 69 % крутящего момента относительно варианта (а). Наименьшее амплитудное значение крутящего момента наблюдается у конфигурации (d), что составляет 56 % от варианта с неодимовыми магнитами.

Среднее значение крутящего момента электродвигателя является показателем устойчивой работы двигателя в условиях постоянной нагрузки. На рис. 4 представлено сравнение четырёх рассматриваемых вариантов конфигурации ротора. Наибольшим средним моментом обладает двигатель с неодимовыми магнитами (а). Вариация ротора (b) имеет наибольший средний крутящий момент среди роторов, использующих ферритовые магниты, и составляет 89 % от значения двигателя с неодимом. Вариация ротора (c) способна выдавать 82 % от значений конфигурации (а). Наименьшим средним крутящим моментом обладает четвёртая конфигурация, что составляет 57 % от наибольшего показателя.

Одной из характеристик оценки эффективности и экономичности электрического двигателя является количество используемого магнитного материала. Сравнение рассматриваемых вариантов проводится в относительных единицах. Количество используемого магнитного материала в варианте

Рис. 3. Амплитудные значения осевого крутящего момента для четырёх вариантов конфигурации ротора: а – двигатель с неодимовыми магнитами; b, c, d – двигатель с ферритовыми магнитами

Fig. 3. Amplitude values of axial torque for four rotor configurations: a – motor with neodymium magnets; b, c, d – motor with ferrite magnets

Рис. 4. Средние значения осевого крутящего момента для четырёх вариантов конфигурации ротора: а – двигатель с неодимовыми магнитами; b, c, d – двигатель с ферритовыми магнитами

Fig. 4. Average values of axial torque for four rotor configurations: a – motor with neodymium magnets; b, c, d – motor with ferrite magnets

с неодимовыми магнитами (а) прировняем к 1 о.е. Соответственно в варианте (b) объём используемого магнитного материала также будет равен 1 о.е., так как ротор второго варианта полностью идентичен первому, за исключением материала магнитов. Вариант (c) использует наибольшее количество магнитного материала в сравнении со всеми остальными вариантами, что составляет 3,3 о.е. Конфигурация (d) использует 3,1 о.е. магнитного материала.

Учитывая плотность магнитов, можно примерно представить различие массы используемых магнитных материалов рассматриваемых конфигураций. Плотность неодима составляет 7,55 г/см3, а плотность феррита – 3,73 г/см3. Учитывая объём используемого магнитного материала, можно сказать, что наиболее тяжёлым из вариантов, использующих феррит, является вариант (с), и он в 1,63 раза тяжелее конфигурации с неодимом. Самым лёгким из ферритовых конфигураций является вариант (b), и он в 2 раза легче конфигурации с неодимом.

Выводы

В ходе проделанной работы установлено, что двигатели для электромобиля с ферритовыми магнитами могут иметь значения крутящего момент на уровне 80–89 % от значений момента двигателя с неодимовыми магнитами при идентичных размерах самого двигателя. Опираясь на обзор литера- туры, произведённый в введении данной работы, можно заметить схожие значения отношения крутящего момента двигателей с ферритовыми магнитами к крутящему моменту двигателей с неодимовыми магнитами. Однако работы, приведённые в обзоре литературы, добиваются данных результатов за счёт изменения геометрических параметров ротора, что приводит к необходимости изменения размеров статора. В данной работе производится изменение расположения и размеров магнитов в роторе без изменений его геометрических параметров, что избавляет от изменения конструкции статора. Данное решение позволяет разрабатывать и создавать электрические двигатели, использующие ферритовые магниты, на базе электрических двигателей с неодимовыми магнитами, что не требует изменения производственных цепочек, участвующих в производстве статоров. Для достижения таких параметров у двигателя с ферритами необходимо увеличить в 3,3 раза объём пространства, куда устанавливаются магниты, что приведёт к увеличению массы используемого магнитного материала в 1,63 раза. На основании этих данных можно сказать, что идея замены в двигателях для электромобилей неодимовых магнитов ферритовыми является жизнеспособной, особенно в отраслях, где не требуется максимальная мощность. Из таких отраслей можно выделить городской общественный транспорт, сельскохозяйственный транспорт и лёгкий коммерческий транспорт.