Однако эта тенденция может быть частично компенсирована улучшением эффективности намотки и использованием меди, наблюдаемым в последние годы. В любом случае, растущая электрификация автомобильного рынка увеличит спрос на медь для электродвигателей в 3,1 раза в 2034 году по сравнению с 2023 годом.
Где используется медь?
Двигатель состоит из неподвижного компонента (статора) и вращающегося компонента (ротора). Как правило, статор изготавливается из стальной рамы с медными обмотками, используемыми для генерации электромагнитного поля. Материалы ротора различаются в зависимости от технологии. В двигателях с постоянными магнитами магниты находятся в роторе, в асинхронных двигателях используются медные или алюминиевые стержни, в двигателях с обмотками ротора больше медных обмоток, а реактивные двигатели преимущественно изготавливаются из стали.
Удаление магнитов увеличивает содержание меди:
асинхронные двигатели перестали быть популярным приводным двигателем и стали использоваться преимущественно в качестве вспомогательных приводных устройств. В зависимости от того, имеет ли двигатель медный или алюминиевый ротор, содержание меди в нем может быть выше по сравнению с двигателями с постоянными магнитами. Двигатель с обмоткой ротора становится идеальным вариантом без магнитов, а использование медных обмоток на роторе значительно увеличивает содержание меди в двигателе, причем в некоторых экземплярах содержание меди более чем в два раза превышает содержание меди в сопоставимом двигателе с постоянными магнитами.
Существуют альтернативные технологии двигателей, которые могли бы поддерживать аналогичное содержание меди, как у двигателей с постоянными магнитами; например, ротор реактивного двигателя преимущественно изготовлен из стали и не содержит меди или алюминия. Однако такие двигатели традиционно страдают от проблем с удельной мощностью, шумом и эффективностью. Существует несколько путей улучшения, над которыми работают различные компании, но они еще не были продемонстрированы в серийном производстве электромобилей. Развивающийся осевой двигатель обеспечивает очень высокую удельную мощность и, следовательно, с точки зрения содержания меди на кВт мощности, имеет гораздо меньшие требования к содержанию меди.
Относительное содержание меди в электродвигателях, используемых в электромобилях. Источник: IDTechEx
Технология намотки для уменьшения содержания меди:
Выше речь шла о роторе, но ведутся работы по улучшению использования меди в обмотках статора. Традиционно эти обмотки состоят из множества тонких круглых проводов, намотанных вокруг статора. В 2021 году обмотки типа «шпилька» достигли глобальной доли рынка электромобилей, сопоставимой с круглыми проводами, и фактически превзошли их в 2022 году. Обмотка типа «шпилька» предполагает использование квадратных/прямоугольных проводов, что увеличивает коэффициент заполнения пазов, обеспечивая более эффективное использование доступного пространства и уменьшая количество избыточных медных обмоток, свисающих с каждого конца двигателя. Более высокий коэффициент заполнения может быть использован для увеличения массы меди на двигатель, или более эффективное заполнение может уменьшить общую длину (и, следовательно, содержание меди) двигателя для достижения той же производительности.
Следующий этап эволюции включает предварительную намотку этих вилочных обмоток, чтобы не приходилось индивидуально вставлять и приваривать каждый стержень. Это улучшает технологичность производства, позволяет разместить больше полюсов на статоре и дополнительно уменьшает выступающие концевые обмотки. Такие компании, как Schaeffler, Lucid и BorgWarner, которая использует аналогичную концепцию, называемую «S-образная намотка», продемонстрировали этот процесс.
Также возможно заменить медь алюминием в обмотках статора. Как правило, алюминий имеет более низкий объемный КПД, поскольку для достижения тех же характеристик, что и у меди, требуется больший объем алюминия. Мотивацией для замены меди алюминием является то, что она легче и дешевле меди. Несмотря на это, в большинстве случаев IDTechEx ожидает, что медь останется основным материалом для обмотки статора, за исключением некоторых специфических случаев, когда объемный КПД двигателя не имеет решающего значения.
Автор: д-р Джеймс Эдмондсон, директор по исследованиям в IDTechEx
