電動機(jī)也許不再需要昂貴的稀土

　　這兩種元素均是強(qiáng)磁材料，在某些場合比如電動汽車所使用的大功率電動機(jī)中，這些強(qiáng)磁材料顯得至關(guān)重要。然而遺憾的是，這兩種元素均是來自稀土礦中的稀有金屬元素。就如同其名字所暗示的那樣，可供開采的鏑礦和釹礦非常稀少。

　　目前，中國是全球稀土的主要產(chǎn)地，其產(chǎn)量占世界供應(yīng)量的95%左右。外媒認(rèn)為，中國政府幾乎壟斷了稀土市場，這推高了稀土的價格。所以，發(fā)明一種不需要鏑和釹的電動機(jī)將會有很大的利潤，幾個研發(fā)組織認(rèn)為他們或許已經(jīng)找到了一個解決辦法。

　　這種不依賴稀土礦的設(shè)計就是開關(guān)磁阻式電動機(jī)。這種設(shè)想其實已經(jīng)有100多年的歷史了，可時至今日，人們才制造出一個高性能且適合汽車的實用電動機(jī)。電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計推陳出新，由性能強(qiáng)大、可快速轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體芯片構(gòu)成，操控磁阻電動機(jī)的電控系統(tǒng)運(yùn)行更為精密，開關(guān)磁阻式電動機(jī)由此獲得了新生。

　　比利時根特的Inverto研發(fā)公司，其研發(fā)總監(jiān)John De Clercaq帶領(lǐng)著工程師和比利時根特大學(xué)、英國薩里大學(xué)以及一些不知名的汽車制造商合作造出了一個用于電動汽車的開關(guān)磁阻式電動機(jī)。

　　而英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員和幾家公司正在合作生產(chǎn)一種同時用于汽車和卡車的開關(guān)磁阻式電動機(jī)。

　　日本和美國也在進(jìn)行類似的研究，東京理工大學(xué)的Nobukazu Hoshi所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊已經(jīng)試驗將開關(guān)磁阻式電動機(jī)應(yīng)用于馬自達(dá)賽車。

　　據(jù)了解，開關(guān)磁阻式電動機(jī)與普通電動機(jī)的主要區(qū)別在于是否使用永久磁鐵。對普通的直流電動機(jī)而言，其由兩部分組成：運(yùn)動的轉(zhuǎn)子和固定的定子。定子通常做外殼，永久磁鋼安裝在定子內(nèi)。轉(zhuǎn)子運(yùn)行于電機(jī)外殼內(nèi)，其上環(huán)繞著銅線繞組，作為電磁體。線圈內(nèi)電流周期性換向，電機(jī)因此運(yùn)行。線圈電流換向?qū)е码姶朋w極性轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)子在永久磁場和旋轉(zhuǎn)的電磁場之間的推力和拉力的作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。

　　普通電動機(jī)通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)即換向器實現(xiàn)電流換向：換向器上的導(dǎo)條與碳刷接觸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時導(dǎo)電條在碳刷下方運(yùn)行，線圈繞組經(jīng)由導(dǎo)電條連接電刷通電。盡管現(xiàn)代化的電動機(jī)使用了電子控制系統(tǒng)來代替換向器，但其基本的運(yùn)行原理與換向器一樣。

　　開關(guān)磁阻式電動機(jī)與傳統(tǒng)電動機(jī)的換向原理是一致的，但其除了沒有電刷以外，還不需要永久磁鐵，也不需要使用稀土等類似的材料。這都是因為在工作原理上開關(guān)磁阻式電動機(jī)采用了最小磁阻原理。

　　磁阻和電阻比較類似。正如電流會沿著最小的電阻路徑流通，而磁通（即“磁力線”）也會選擇最小磁阻的磁路。鐵恰是又便宜又好的低磁阻材料。

　　Inverto公司的開關(guān)磁阻式電動機(jī)使用鐵片作為磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子材料，銅線繞組分布在定子內(nèi)。而繞組線圈通電由控制系統(tǒng)決定，繞組通電產(chǎn)生磁通。繞組磁通會巡著最小磁阻磁路，也就是由鐵片組成的疊片轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子趨向調(diào)整自身位置使得磁通所經(jīng)磁路磁阻最小，轉(zhuǎn)子因此轉(zhuǎn)動。

　　然而控制系統(tǒng)會不斷地檢測轉(zhuǎn)子的運(yùn)動狀態(tài)，轉(zhuǎn)換繞組通電電流，阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿其慣性方向調(diào)整。從而保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。

　　這樣一來，控制問題已經(jīng)得到解決，但開關(guān)磁阻式電動機(jī)仍然存在不足之處。比如，輸出給定同樣扭矩，開關(guān)磁阻式電動機(jī)的體積要比含有永磁鐵的電動機(jī)大。不過，開關(guān)磁阻式電動機(jī)所需要的材料成本更為低廉。此外，其轉(zhuǎn)矩特性更適用于汽車性能。

　　在高速行駛中，開關(guān)磁阻式電動機(jī)不像永磁鐵電動機(jī)那樣快的失去扭矩，這對超車加速過程有利。在發(fā)動機(jī)失靈時候，也更加安全。對于永磁鐵電動機(jī)來說，如果失去動力，轉(zhuǎn)速會迅速下降，將會造成不可預(yù)期的剎車后果，而且也會損傷發(fā)動機(jī)。與之形成鮮明對比的是，開關(guān)磁阻式電動機(jī)在失去動力的時候?qū)�會靠慣性滑行。

　　除此之外，與電動車內(nèi)的永磁鐵電動機(jī)一樣，開關(guān)磁阻式電動機(jī)制動減速過程中也可充當(dāng)發(fā)電機(jī)�；�本上，發(fā)電機(jī)將運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電，而電動機(jī)正好相反將電轉(zhuǎn)化為運(yùn)動。電動機(jī)斷電減速時所發(fā)的電恰好可補(bǔ)充電動機(jī)在剎車時電池所耗費(fèi)的能量。

　　紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員正與印度大型企業(yè)塔塔鋼鐵合作，用特殊的鋼材來尋求更高效的磁通量以便獲得更大的功率。他們同時與當(dāng)?shù)氐碾娏﹄娮又圃旃�司Sevcon，以及制造發(fā)動機(jī)的美國Cummins Generator Technologies公司進(jìn)行技術(shù)合作，該公司制造應(yīng)用于混合動力卡車的磁阻電動機(jī)引擎。

　　紐卡斯?fàn)柛呒夒妱域?qū)動器中心的負(fù)責(zé)人詹姆斯·威德默說：“在高速運(yùn)行中，這種新的開關(guān)磁阻式電動機(jī)性能遠(yuǎn)超目前最好的永磁鐵電動機(jī)，而且成本還要更低廉。”

　　具有這么多的優(yōu)勢，不難想象，更高效的開關(guān)磁阻式電動機(jī)很快就將出現(xiàn)。雖然這并不意味著該設(shè)計可以馬上商業(yè)化，但起碼對于鏑和釹元素的需求會有顯著下降。