电机设计缓解钕的高价格

可选择的设计技术允许电机制造商和最终用户生产有效的，经济的系统。

在过去的几十年里，基于稀土氧化物(REO)磁铁的电机一直主导着市场。reo有利的磁性特性允许以经济的价格生产紧凑、强劲的高扭矩电机(见图1)。然而，在过去几年里，供应链的不稳定性导致钕的价格飙升，推高了稀土磁铁的价格，因此也推高了电机的价格。虽然正在开发替代REO资源，但新矿或重新开矿的矿要大量生产还需要数年时间。与此同时，制造商和终端用户有两个选择:要么支付更高的价格，要么寻找替代产品。

NovaTorque公司的工程副总裁Alan Crapo说:“当钕首次问世时，性能非常差。你可以获得高通量，但耐温性能和防磁性能很差。”经过精心的开发和修改，材料得到了极大的改进，为供应商制造商提供了巨大的利益。“这是一个漫长的过程，”他同意。当然，真正的全盛时期是从20世纪90年代末到21世纪头十年中期，当时房价每年下跌约7%。我们一直在用钕设计更多的东西，因为它变得越来越好，越来越便宜。然后在2008年左右，一切都变了。”

随着氧化钕的价格在一年多一点的时间里上涨了五倍多，该行业发现自己面临着一个处于衰退中的动荡的市场，以及一套全新的规则和行为。Moog Components Group的高级设计工程师John Calico表示:“我们的客户比以往任何时候都更符合供应链的要求。”“他们中的许多人要求我们每周提供整个供应链的报告。一些磁铁供应商要求你先付钱，而不是等到你收到磁铁。这对一些较小的电机制造商来说是个问题，尤其是在现在很难借钱的时候。”

为了避免这些挑战，供应商和终端用户都开始寻找更划算的方法来获得他们需要的动力。让我们仔细看看。

避免钕
从本质上讲，我们可以将可选择的方法分成四类，按效果递增的顺序列出:

• 稀土的替代品 即使没有稀土氧化物(reo)的价格波动，这种材料的提取和提炼也涉及一些危害人类健康和环境的有毒物质。因此，目前正在研究开发替代方案。 特拉华大学的George Hadjipanayis正在研究纳米复合磁铁，这种磁铁承诺比传统磁铁少含30%到50%的钕。该研究小组正致力于开发一种各向异性交换耦合磁铁，它由“软”(低矫顽力)纳米粒子和“硬”(高矫顽力)纳米粒子的混合物组成。他们已经生产出了合适的纳米晶体。在接下来的一年里，该团队计划将重点放在将软的和硬的纳米粒子组合成真正的磁铁上。 锰铝(其能量产品约为6或7 MG*Oe)、锰铋或锰镓等合金显示出了成为具有高温操作能力的新型磁铁材料的前景。在太平洋西北国家实验室(Richland, Washington)，材料科学家们正在研究由多种锰基合金组成的复合材料。 虽然铁铂表现出优异的磁性，但材料的成本使其不切实际。Hadjipanayis指出，铁镍是一种有趣的替代品。他说:“它的相变就像铁铂一样。”“它从面心立方结构变成面心四方结构。”后者使材料非常坚硬。目前，这种转变还很缓慢，但未来的发展希望能够解决这个问题，使这种材料更加实用。 K.L.

  将所用稀土材料的成本降至最低
• 尽量减少磁铁中钕的含量
• 避免使用稀土磁铁
• 完全消除磁铁，如感应电动机

选择磁体材料需要了解一些基本性质。磁铁的能量产品提供了磁场强度的测量，这是一个指示，如何有效的材料将电机转换成扭矩的电力。本质上，固有矫顽力量化了材料抗退磁的程度，这提供了健壮性的指示。例如，铁氧体磁体的能量积可达4.5 MGOe或更低，其固有矫顽力约为2800 Oe(见表)。相比之下，钕基磁体的能量产品高达55 MGOe和本征矫顽力高达28,000 Oe。通过从铁氧体磁体转换到基于钕的版本，电机制造商已经能够大幅缩小他们的设备的尺寸，同时提供更强大的电机，能够承受更高的温度。

含钕磁体的基本材料是钕铁硼(NdFeB)，但实际成分差别很大。为了提高性能，磁体制造商在NdFeB中添加了几个百分比的reo，如镝或镨。虽然添加这些材料可以将磁铁的工作温度范围从150°C调整到200°C以上，但添加奇异材料进一步增加了成本。整车厂和系统设计人员控制成本的最简单方法之一是仔细审查他们的应用程序，并指定只具有他们需要的性能的电机。

大多数电动机都是热运转的。然而，当外壳达到高温时，终端用户往往会担心，要么电机尺寸过大，要么选择提供过高工作温度范围的磁铁。特别是在基于ndfeb的电机的情况下，当低性能的设计可以很好地工作时，原始设备制造商最终可能会花钱购买高端电机。Calico说:“终端用户没有理由不充分利用电机。”“你真的不想把磁铁设计得更大或更强大，也不想在比实际需要更高的温度下工作。”

最小化钕内容
如果松动规格没有帮助，下一步是最小化电机设计的钕含量（见侧边栏）。良好的电动机设计通常在定子直径的40％和65％之间产生转子直径。根据转子直径与定子直径的比率，永磁电动机可以设计成更加铜强化或更多磁体密集型。具有40％转子与定子直径的电动机将被称为“铜电机”，而转子与定子直径的65％比率将被认为是“磁铁电机”。如果磁铁成本支配成本预算，那么您将选择最低成本设计的铜电机。

将设计从磁体强度调整到铜强度，与其说是改变功率密度，不如说是在给定体积内重新分配活性材料。经过适当的改进，该设计将产生大致相同的尺寸和重量，但成本更低。

如果调整设计不能实现预期的结果，第三种方法是完全消除磁铁中的钕。超过一定的阈值，钐钴磁铁呈现高性能的选择。在过去的几十年里，钕铁硼磁铁比钐钴磁铁便宜得多。然而，随着钕价格在2011年夏季飙升，钐钴磁铁实际上提供了一种更经济的选择。然而，这只适用于价格极端的情况。考虑到钕价格的快速波动，在OEM产品中设计钐钴发动机可能是有风险的。

例如，Calico不再认为钐钴是钕铁硼的有用替代品。他表示:“我认为，我们将看到用钐钴取代钕的压力减轻，因为在可预见的未来，钐钴仍将是一种比钕更昂贵的材料。”“oem只能在需要150℃以上电机的高温应用场合使用它。”

铝镍钴(AlNiCo)或铁氧体磁铁提供了更经济的选择，但这是性能的权衡。如果直接用铁氧体替换钕铁硼磁体，电机必须大大约50%才能产生相同的功率。要使这种材料与稀土材料竞争，需要新的设计。

传统的基于径向或轴向间隙设计的电机最多可以在二维范围内聚焦磁通。提高铁氧体永磁电机性能的一种方法是将磁通集中在三维空间，这是NovaTorque所采用的方法。该公司的设计从一个堆叠、叠层的场极插入一个绕线铜绕组(见图2)开始。6个场极/绕组组合组装成一个环形，形成定子(见视频)。磁场极点的末端与锥形转子的形状相匹配，使气隙最小化(见图3)。由于这种三维设计，电机实现了与稀土磁铁电机相媲美的磁通密度和效率，Crapo说。

当然，在工程中总会有权衡。尽管这种电机比传统的铁氧体设计更小，但与等效的钕铁硼磁铁电机相比，它们仍然具有更高的质量和惯性。因此，对于风扇或泵等变速应用，它们往往是很好的解决方案。它们可以作为伺服电机进行闭环操作，但不适用于高速、低惯性的应用，如包装。

避免稀土磁铁价格溢价的最终方法是明显的单一消除磁铁。例如，一种感应电动机的特征比包含NDFEB磁体的单元的零件成本远低得多。然而，他们消耗更多的电力。根据应用，在产品的寿命上运行电动机的成本可能超过消除磁铁引入的节省。

开关磁阻电机提供了另一种选择。转子上没有绕组，它们可以提供更低的材料成本。然而，它们的控制可能很复杂，需要一个微处理器来进行基本操作。电机也会受到高转矩脉动的影响。

尽管在可预见的未来，钕和其他REO的价格波动将继续对行业构成挑战，但设计师有一系列的缓解技术可供选择。通过平衡应用需求(如功率、扭矩、占空比、产品寿命和产品生命周期)与各种缓解方案所提供的节省，设计师可以确定随时间推移提供最佳节省的方法。