Такие магниты востребованы в электрокарах, авиационной и космической сферах
Коллектив физиков Уральского федерального университета и Института физики металлов УрО РАН создал технологию 3D-печати постоянных магнитов из редкоземельных элементов. Такие магниты востребованы в высокотехнологичных устройствах — современных электрокарах, электрогенераторах, авиации, космической сфере и могут служить на протяжении десятилетий или столетий. Работа по созданию отечественной технологии велась на протяжении нескольких лет по заказу частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом») в рамках Единого отраслевого тематического плана.
«Госкорпорация „Росатом“ развивает неядерное направление и выстраивает полную технологическую цепочку от добычи сырья до получения готовой продукции — к примеру, электромобилей, работа которых невозможна без высокоэнергетических магнитов. У нас есть компетенции во всех ключевых звеньях редкоземельной промышленности: в добыче сырья (горнорудный дивизион); разработке и внедрении новых технологий получения редкоземельных металлов и продуктов из них (научный дивизион), производстве (топливный дивизион). При этом мы, безусловно, заинтересованы в сотрудничестве с другими организациями для создания и развития отечественных технологий, которые помогут не только укрепить технологический суверенитет нашей страны, но и будут востребованы в самых разных высокотехнологических сферах и на мировом рынке», — поясняет первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб.
Аддитивные технологии, разработанные уральскими учеными, позволяют печатать постоянные магниты с улучшенными свойствами двух видов: на основе неодима и железа (неодимовые магниты) с добавлением празеодима, тербия и диспрозия (работают при температурах до 200 градусов Цельсия) и самария-кобальта (работают при температурах до 550 градусов Цельсия).
На сегодня ученым удалось получить постоянные магниты размером 10 × 10 × 3 мм — это средние магниты (при необходимости их размер можно увеличить или уменьшить). Для сравнения, в смартфонах (динамики, микрофоны, устройства для вибрации) используют магниты размером преимущественно 1 × 1 × 1 мм, а в роторах двигателей электромобилей устанавливают постоянные магниты в 50 × 50 × 20 мм. Магниты большего размера практически не создают, так как в этом нет необходимости.
«Постоянные магниты с редкоземельными металлами, в особенности из самарий-кобальта, востребованы в авиастроении, космической сфере, то есть там, где всё должно работать надежно, без сбоев. Кроме того, в современных электрокарах, например, в последних Tesla или китайских электромобилях, также стали использовать постоянные магниты. Это позволило уменьшить размер двигателей, их вес, увеличить износостойкость и КПД на 10–15%», — поясняет руководитель исследовательского коллектива, заведующий кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов.
Технология аддитивного производства, разработанная уральскими учеными, позволяет сразу создавать изделия сложной формы и магнитные системы.
«Мы можем создать не просто магнит, а систему с несколькими полюсами, в которой могут быть токонепроводящие прослойки или другие особенности. Традиционным способом так сделать не получится, потому что один из этапов производства — прессование — накладывает колоссальные ограничения на форму магнита. Например, нам удалось напечатать „правильный“ ротор — цилиндр Хальбаха. Это шайба с отверстием, внутри которого магнитное поле. Снаружи магнитного поля нет. Для создания такого магнита традиционным способом пришлось бы добавлять дополнительный магнитомягкий материал. А у нас сразу получился магнит, который является магнитной системой и лучшим вариантом для электрической машины», — поясняет Алексей Волегов.
3D-печать, кроме того, помогает снизить потери КПД за счет снижения вихревых токов в процессе эксплуатации. Как поясняет ученый, на стыке двух магнитов в магнитной системе, созданной традиционной технологией, образуются резкие ярко выраженные магнитные поля, увеличивающие нагрев изделия и снижающие КПД. С этой относительно небольшой проблемой также помогут справиться аддитивные технологии.
«Наши магниты не уступают мировым аналогам, а по некоторым характеристикам и превосходят их. Так, у магнитов из самарий-кобальта мы получили лучшие известные на сегодня в мире свойства. Наши магниты не существенно, на 3–5%, но лучше аналогов немецкой группы под руководством Dagmar Goll. По магнитам из неодима результаты также на уровне мировых. Если сравнивать с аналогами, созданными по традиционной технологии, то механические свойства идентичны, а магнитные немного уступают. По остаточной намагниченности отставание порядка 20%, по максимальному энергетическому произведению — 30%, по коэрцитивной силе — на уровне. Но, полагаю, мы придумаем, как это исправить. И, если сравнивать с аддитивными технологиями, то судя по тому, что публикуют зарубежные коллеги в научных журналах и открытых источниках, наши результаты лучше, чем у кого-то бы то ни было в мире», — заключает Алексей Волегов.
