Karolina Dąbrowska, Małgorzata Gołąbek

1. Wprowadzenie: Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi

Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi stały się w ostatnich dwóch dekadach dominującą technologią napędową w szeroko rozumianej elektromobilności, turbinach wiatrowych, małych elektrowniach wodnych [6]. W przemyśle również zaczynają odgrywać ważną rolę. Ich przewaga wynika z wysokiej gęstości mocy, sprawności oraz kompaktowych gabarytów, które są bezpośrednią konsekwencją wyjątkowych właściwości magnetycznych stopów NdFeB. Jednocześnie rosnąca zależność przemysłu od wąskiej grupy pierwiastków ziem rzadkich sprawiła, że technologia ta stała się wrażliwa na zakłócenia w łańcuchu dostaw. Kryzys dostępności Rare Earth Elements (REE) w 2025 r. uwypuklił problem, że ograniczenia materiałowe mogą stać się czynnikiem hamującym globalną transformację energetyczną.

2. Przewagi technologiczne maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi NdFeB

Zastosowanie magnesów neodymowych w budowie współczesnych maszyn synchronicznych stanowi kluczowy paradygmat w dążeniu do maksymalizacji parametrów eksploatacyjnych, przy jednoczesnej minimalizacji gabarytów napędu. Wysoka gęstość energii magnetycznej tych materiałów, wyrażana przez maksymalny iloczyn energii, w połączeniu z dużą remanencją, umożliwia uzyskanie silnego strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej, przy znacznym ograniczeniu masy i objętości wirnika, co przekłada się na wysoki współczynnik mocy i momentu obrotowego liczonych na objętość lub masę [10].

W napędach lotniczych pozwala to osiągnąć współczynniki niemożliwe do uzyskania dla klasycznych silników indukcyjnych. Ma to kluczowe znaczenie dla redukcji masy całkowitej statku powietrznego. W maszynach Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) pole magnetyczne wirnika generowane jest pasywnie, bez konieczności doprowadzania prądu do uzwojeń wzbudzenia, co eliminuje straty mocy w miedzi wirnika i umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej sprawności, często przekraczającej 95%, a tym samym ograniczenie zużycia energii i wydłużenie autonomii pracy (przy zasilaniu bateryjnym). Brak strat w wirniku obniża temperaturę pracy maszyny, umożliwia stosowanie prostszych systemów chłodzenia (np. chłodzenie powietrzem) oraz ogranicza degradację termiczną łożysk i izolacji, co istotnie podnosi niezawodność i trwałość eksploatacyjną całej jednostki napędowej.

Dodatkowo, możliwość konstruowania wirników o mniejszej średnicy i niższym momencie bezwładności, wynikająca z zastosowania magnesów NdFeB, zapewnia znakomitą dynamikę oraz precyzję sterowania. Takie wymagania są stawiane napędom pracującym w aplikacjach wymagających dokładnego pozycjonowania lub gwałtownych zmian prędkości obrotowej. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy silnik z magnesami trwałymi wykonany w Łukasiewicz – GIT, Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych.

3. Kryzys dostaw REE i ograniczenia materiałowe magnesów NdFeB

Rynek pierwiastków ziem rzadkich (REE) cechuje ekstremalna koncentracja produkcji i rafinacji w Chinach, które w kwietniu 2025 r. wprowadziły licencyjne ograniczenia eksportu na siedem kluczowych REE, w tym dysproz (Dy) i terb (Tb). Rozszerzone w październiku kolejne sankcje na inne materiały spowodowały 80-procentowy spadek eksportu Dy i gwałtowny wzrost cen Nd, Pr, Dy oraz Tb – niezbędnych do wysokotemperaturowych magnesów NdFeB. Pierwiastki te są stosowane głównie do stabilizacji koercji w stopie Nd₂Fe₁₄B. Bez domieszkowania dysprozem (Dy) lub terbem (Tb) – poprzez dyfuzję granicy ziarna lub klasyczne domieszkowanie – magnesy NdFeB zaczynają tracić właściwości magnetyczne już powyżej 120°C, a ich temperatura Curie wynosi ok. 320°C. Powoduje to, że w zastosowaniach trakcyjnych istnieje wysokie ryzyko rozmagnesowania.

Dodatkowym wyzwaniem jest bardzo ograniczona dostępność geologiczna Dy i Tb (mniej niż 1 ppm w skorupie ziemskiej), co nadaje problemowi charakter strukturalny. Sytuację dodatkowo pogłębia rosnące zapotrzebowanie na te pierwiastki w sektorach pojazdów elektrycznych (EV) oraz odnawialnych źródeł energii (OZE). Dodatkowo, magnesy NdFeB wykazują podatność na korozję, dlatego też wymagają specjalnych powłok ochronnych, np. niklowania. Finalnie skutkuje to problemami w recyklingu – hydrometalurgia generuje odpady i zużywa kwasy, a metody, takie jak HD (hydrogen decrepitation) są wrażliwe na czystość surowca, ograniczając odzysk do <5% w skali przemysłowej. Te współzależne bariery geopolityczne i materiałowe zagrażają skalowalności technologii Permanent Magnet (PM). W przeciwieństwie do uzwojeń czy elektroniki, magnes nie jest komponentem łatwo zastępowalnym, co czyni tę technologię szczególnie podatną na niedobory surowców. Najważniejsze złoża pierwiastków ziem rzadkich oraz ich główne typy zaprezentowano na rysunku 2.

Współczesna inżynieria napędowa dąży do zminimalizowania udziału pierwiastków ziem rzadkich. Strategie te realizowane są na trzech płaszczyznach: poprzez zaawansowaną optymalizację topologii wirnika, wykorzystanie momentu reluktancyjnego oraz innowacje w strukturze krystalicznej samych magnesów.

3.1. Optymalizacja topologiczna i koncentracja strumienia

Podstawową metodą redukcji masy magnesów jest przejście od układów powierzchniowych (SPM) do zaawansowanych struktur wewnętrznych (IPM – Internal Permanent Magnet). Nowoczesne wirniki wykorzystują wielowarstwowe bariery magnetyczne w kształcie liter „V” lub „U”, które nie tylko chronią magnesy przed siłami odśrodkowymi, ale przede wszystkim pozwalają na lepsze ukierunkowanie strumienia.

Szczególnym przypadkiem są układy Halbacha, które dzięki specyficznej orientacji namagnesowania segmentów koncentrują pole magnetyczne po stronie szczeliny powietrznej, niemal całkowicie eliminując potrzebę stosowania ciężkiego jarzma magnetycznego wirnika. Pozwala to na redukcję objętości materiału magnetycznego o ok. 15–20% przy zachowaniu wysokiej gęstości momentu.

3.2. Wykorzystanie anizotropii: Maszyny PMaSynRM

Kluczowym trendem jest przesuwanie środka ciężkości z momentu synchronicznego na moment reluktancyjny. Silniki synchroniczne reluktancyjne wspomagane magnesami trwałymi (PMaSynRM) stanowią obecnie „złoty środek” w przemyśle. W tej topologii magnesy NdFeB są umieszczane w barierach powietrznych wirnika reluktancyjnego w ilościach szczątkowych (często o masie zredukowanej o 40–60% w stosunku do klasycznych maszyn IPM). Magnesy te pełnią rolę pomocniczą – nasycają mostki magnetyczne i poprawiają współczynnik mocy, podczas gdy główny moment obrotowy wynika z różnicy indukcyjności.

4. Technologie alternatywne dla silników z magnesami trwałymi

4.1. Mechanika reluktancyjna i potęga formy

Silniki synchroniczne reluktancyjne (SynRM) reprezentują najbardziej zaawansowane podejście do optymalizacji geometrii wirnika. Ich budowa opiera się na eliminacji wszelkich aktywnych elementów w ruchomej części maszyny – wirnik nie posiada ani magnesów, ani uzwojeń, a jedynie specyficznie ukształtowany pakiet blach stalowych. Kluczowym elementem są tutaj bariery strumienia, czyli precyzyjne wycięcia w strukturze blach, które tworzą ścieżki o zróżnicowanym oporze magnetycznym, zwanym reluktancją. Działanie tej maszyny opiera się na naturalnym dążeniu pola magnetycznego stojana do przepływu drogą o najniższym oporze. W efekcie wirnik ustawia się w taki sposób, aby jego stalowe segmenty pokrywały się z liniami sił pola, co generuje moment obrotowy wirnika. Największą zaletą tej konstrukcji jest niemal całkowity brak strat mocy w wirniku, co pozwala silnikom SynRM osiągać rekordowe klasy sprawności IE5 i IE6 [9]. Dzięki temu w silnikach tego typu występują mniejsze przyrosty temperatury, co zdecydowanie wydłuża żywotność łożysk i całego układu izolacyjnego.

4.2. Aktywne wzbudzenie i inteligencja sterowania

Równolegle do rozwiązań reluktancyjnych, nową erę w sektorze transportu definiują silniki synchroniczne z uzwojonym wirnikiem (WFSM). W tej architekturze magnesy neodymowe zostały zastąpione uzwojeniem (wzbudzenie elektromagnetyczne). Choć koncepcja ta jest znana od dekad, to przełom nastąpił w obszarze energoelektronicznego zasilania wirnika. Nowoczesne jednostki z lat 2024–2026 wykorzystują bezstykowe, indukcyjne przesyłanie energii, eliminując tym samym problematyczne szczotki i pierścienie ślizgowe [13].

Zasada działania opiera się na pełnej, dynamicznej kontroli nad polem magnetycznym wirnika. W przeciwieństwie do silników z magnesami stałymi, gdzie pole jest zawsze o stałej wartości, silniki typu WFSM pozwalają na jego osłabienie lub niemal całkowite wyłączenie wzbudzenia. Jest to konieczne, np. w napędzie elektrycznym samochodu, gdzie podczas jazdy z wysokimi prędkościami (np. na autostradzie), w przypadku silników z magnesami trwałymi, konieczne jest osłabienie strumienia wzbudzenia. Stosowanie silników WFSM to niewątpliwie duża zaleta, jeśli chodzi o sterowanie napędem. Przy okazji zwiększa to zasięg pojazdów elektrycznych – brak konieczności odwzbudzania stałego pola magnetycznego i zużywania w tym celu energii elektrycznej z akumulatorów.

4.3. Fundament indukcyjny w nowym wydaniu

Tradycyjne maszyny indukcyjne (klatkowe) również przeszły ewolucję, stając się niezawodnym filarem napędów przemysłowych nowej generacji. Ich budowa jest prosta i opiera się na wirniku z tzw. klatką (zazwyczaj odlewaną z miedzi lub aluminium), w której prąd jest indukowany przez wirujące pole magnetyczne stojana. Strumień magnetyczny stojana i okład prądowy wirnika wchodzą w interakcję, generując moment elektromagnetyczny.

Mimo pozornej prostoty, nowoczesne silniki indukcyjne zyskały na znaczeniu dzięki technologii uzwojeń spinkowych (hairpin), które zwiększają gęstość mocy [9]. Ich główną zaletą jest niezwykła wytrzymałość mechaniczna i bezpieczeństwo – w sytuacji awaryjnej, po odłączeniu zasilania, pole magnetyczne w silniku zanika niemal natychmiast.

5. Wnioski

Rosnące koszty i ograniczenia dostępności magnesów neodymowych (NdFeB) wpływają bezpośrednio na konkurencyjność pojazdów elektrycznych oraz turbin wiatrowych. Technologie napędowe oparte na PMSM nie są w stanie skalować się w tempie wymaganym przez globalne cele dekarbonizacji, gdyż strukturalne niedobory dysprozu i terbu uniemożliwiają zaspokojenie popytu, przy wzroście OZE do 5 TW mocy zainstalowanej. Mimo ograniczeń REE, Polska stoi na silnych fundamentach umożliwiających dalszy rozwój maszyn elektrycznych wirujących, właśnie dzięki posiadanym ogromnym zasobom miedzi – kluczowego materiału do produkcji uzwojeń stojanów i wirników w alternatywnych technologiach. Analiza wskazuje, że NdFeB stanowi barierę długoterminowego rozwoju, wymagając przejścia ku hybrydowym rozwiązaniom minimalizującym REE, przy sprawności 90–95%. Konieczne jest intensyfikowanie polskich badań nad odzyskiem NdFeB metodami hydrometalurgicznymi i elektrochemicznymi, nie tylko dla bezpieczeństwa dostaw, ale także ochrony środowiska – wydobycie REE generuje toksyczne ścieki i zużywa 10–20 razy więcej wody niż miedź. Takie podejście idealnie wpisuje się w jeden z głównych kierunków działalności Sieci Badawczej Łukasiewicz – program „Gospodarki o Obiegu Zamkniętym” [12]. Polska miedź, jako strategiczny atut narodowy, pozycjonuje kraj jako lidera w rozwoju samowystarczalnych napędów elektrycznych, niezależnych od geopolitycznych turbulencji. Inwestycje w te kierunki zapewnią suwerenność materiałową i ekologicznie odpowiedzialną transformację energetyczną.

Literatura

[1] Dąbrowski M.: Konstrukcja maszyn elektrycznych, WNT, Warszawa, 1965.
[2] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi, Wydawnictwo Naukowe PWN 2018.
[3] Gwoździewicz M., Zawilak J.: Właściwości eksploatacyjne silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej (2011).
[4] Krzemień S.: Analiza polowo-obwodowa silnika PMSM o wysokiej gęstości momentu. Politechnika Śląska 2015.
[5] Dukalski P., Rossa R. Wolnik T.: Wykorzystanie nowoczesnych materiałów magnetycznych w konstrukcji maszyn elektrycznych o dużej gęstości mocy. Napędy i Sterowanie 2019.
[6] Gawron S.: Praktyczne zastosowania innowacyjnych projektów maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi, Napędy i Sterowanie 2017.
[7] Tessarolo A., Bortolozzi M., Bruzzese C.: Explicit Torque and Back EMF Expressions for Slotless Surface Permanent Magnet Machines With Different Magnetization Patterns, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52, no. 8, pp. 1–15, Aug. 2016, Art no. 8107015.
[8] Alshibani S.: Application of Particle Swarm Optimization in the Design of Halbach Permanent Magnet Synchronous Generators for Megawatt Level Wind Turbines, 2018 7th International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Paris, France, 2018, pp. 865–868, doi: 10.1109/ICRERA.2018.8566736.
[9] Jabłoński P., Komęza K.: Współczesne problemy projektowania maszyn elektrycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2021.
[10] Wolnik T.: LEMoK – silnik o dużej gęstości mocy, Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, tom 1(127), pp. 107–110, 2022.
[11] E. (2021) Global rare earth element (REE) mines, deposits and occurrences (May 2021). British Geological Survey. Źródlo: zywaplaneta.pl
[12] https://lukasiewicz.gov.pl/
[13] Kim D.-M., Park M.-R.: Driving Condition-Based Design and Performance Analysis of Wound-Field Synchronous Motor in Electric Vehicles, International Journal of Automotive Technology, vol. 27, pp. 33–44, 2026.
[14] Gawron S.: „Obliczanie polowo-obwodowe silników synchro niczno-reluktancyjnych”, praca magisterska, Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Elektryczny 2002.

Karolina Dąbrowska, Małgorzata Gołąbek
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny