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Pitt与Powdermet合作开发使无稀土电机 采用更可持续MnBi永磁体

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58京牌 ,美国匹兹堡大学斯旺森工程学院(Pitt Swanson School of Engineering)与纳米材料和先进材料研发公司Powdermet Inc.共同开发无稀土电机。

(图片来源:Pitt)

大多数的电机依靠由稀土金属制成的永磁体。稀土资源数量有限,而且在开采和加工过程中会产生大量有毒废物,容易造成环境污染。为了满足不断增长的市场需求,关键在于设计不含稀土金属的电机,尤其是对可持续性供应链来说。

该项目由Powdermet领导进行,旨在创造一种电机,使用由储量更丰富的金属制成的永磁体,取代稀土金属。最近,美国能源部为该项目拨款20万美元,以将基于MnBi(锰-铋)的永磁材料商业化。这些材料在美国能源部艾姆斯实验室关键材料研究所 (CMI) 开发。

研究人员表示:“MnBi是一有吸引力的低成本无稀土永磁材料,在室温下具有高磁晶各向异性(1.6 × 106 J m−3)和良好的磁化强度(81 emu g−1)。尽管其理论最大能积 (BH) max为20 MGOe,低于NdFeB基磁体,但低温相MnBi具有正矫顽力温度系数,可以达到 200 °C,因此成为高温应用的潜在选项,例如永磁电机。

“然而,MnBi化合物具有氧敏感性,而且Mn和Bi之间的转熔反应,使其很难合成高纯度材料。通过在合金中添加过量的Mn,可以部分解决这一挑战。由于其成分接近Mn55Bi45,经过电弧熔化、铸造、熔体纺丝和球磨研磨等常见加工技术,可获得最高的饱和磁化强度。

“我们报告了一种系统的处理方法,可以减少使用过量Mn。同时,在退火后的Mn52Bi48晶带(annealed Mn52Bi48 ribbon)中,可在300 K下提供79 emu g−1的高饱和磁化强度(MS)。另外,我们还报告,球磨粉末具有优异的磁性能,在300 K的9T外加磁场下,可得到0.5–5 µm的颗粒,MS为75.5 emu g−1,矫顽力Hci为10.8kOe,(BH)max为13MGOe。对不同的球磨粉末进行二次退火处理后,Hci提高达21%,MS也增至78.8emu g 1。”

Pitt团队将使用ANSYS MotorCAD,对使用新型磁性材料的电动机设计,共同进行基准测试。研究人员Paul Ohodnicki表示:“永磁体可用于电动机中,即使存在相反磁场的情况下,也可以产生并保持强磁场。与之相反,电磁体需要电流。使用诸如艾姆斯实验室开发的基于MnBi永磁体的替代材料,来制造永磁体,而不是像钕和镝这样的稀土金属,将使电动汽车变得更实惠、更具有可持续性。”

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