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稀土材料或将被替代
在元素周期表上,镝(Dy)和钕(Nd)的确是不被常人所熟知的元素,这两种元素均是来自稀土矿中的稀有金属元素。就如同其名字所暗示的那样,可供开采的镝矿和钕矿非常稀少。
自上世纪70年代初期稀土永磁电机出现后,由于稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力(特别是高内禀矫顽力),使得稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点,成为新能源汽车电机行业重要发展方向,被各国看好。
中国是全球稀土的主要产地,其产量占世界供应量的95%左右,这在其它国家来看中国“垄断”了稀土市场,所以,发明一种不需要镝和钕的电动机将会有很大的利润。
开关磁阻式电动机恰恰不依赖稀土资源,电动机的结构设计推陈出新,由性能强大、可快速转换的半导体芯片构成,操控磁阻电动机的电控系统运行更为精密,开关磁阻式电动机由此获得了新生。
据了解,开关磁阻式电动机与普通电动机的主要区别在于是否使用永久磁铁。对普通的直流电动机而言,其由两部分组成: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。
普通电动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。尽管现代化的电动机使用了电子控制系统来代替换向器,但其基本的运行原理与换向器一样。
开关磁阻式电动机与传统电动机的换向原理是一致的,但其除了没有电刷以外,还不需要永久磁铁,也不需要使用稀土等类似的材料。这都是因为在工作原理上开关磁阻式电动机采用了最小磁阻原理。
磁阻和电阻比较类似。正如电流会沿着最小的电阻路径流通,而磁通(即磁力线)也会选择最小磁阻的磁路。铁恰是又便宜又好的低磁阻材料。
比如说将其应用与电动车当中,当电动车在高速行驶中,开关磁阻式电动机不像永磁铁电动机那样快的失去扭矩,这对超车加速过程有利。在发动机失灵时候,也更加安全。对于永磁铁电动机来说,如果失去动力,转速会迅速下降,将会造成不可预期的刹车后果,而且也会损伤发动机。与之形成鲜明对比的是,开关磁阻式电动机在失去动力的时候将会靠惯性滑行。
除此之外,与电动车内的永磁铁电动机一样,开关磁阻式电动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,而电动机正好相反将电转化为运动。电动机断电减速时所发的电恰好可补充电动机在刹车时电池所耗费的能量具有这么多的优势,不难想象,更高效的开关磁阻式电动机很快就将出现。虽然这并不意味着该设计可以马上商业化,但起码对于镝和钕元素的需求会有显着下降,而对于稀土这一“贵”金属的依赖逐渐减少或许将有更多的材料替换方案出现在我们的事业当中,对于新材料以及新技术的不断追求能更为切实的刺激电机行业的发展,如此看来,何不取而代之。
高温超导电机或将“大行其道”
高温超导材料在低温环境下具有零电阻特性,其载流能力远远优于普通铜导线,采用超导材料的电机与常规电机相比,具有重量轻、体积小、效率高、噪音小、易维护、操作灵活、单机极限容量大等优点,大容量高温超导电机体积和重量分别为常规电机的二分之一和三分之一。
高温超导应用技术是21世纪重大高新技术,逐步将高温超导电机技术推广运用到电气传动和发电领域,实现该领域的新变革。高温超导电机作为船舶电力推进和风力发电的重要研究方向,近年来成为高温超导应用领域的研究热点,随着高温超导材料技术的不断发展,超导电机技术在工程化应用,都将产生显著的经济和社会效益。
2012年7月,中国第一台兆瓦级高温超导电动机研制成功,中船重工七一二所研制的兆瓦级高温超导电机实现满负载稳定运行,标志着我国首台兆瓦级高温超导电机研制成功,成为国际上少数几个掌握高温超导电机关键技术的国家之一。
正常情况下,电子在金属中运动时,会发生能量损耗,即有电阻。而超导状态下,电子能毫无羁绊地前行。高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度,电阻突降至零。
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