Magneter, magneter, magneter: Vi skal bruge mange af dem til en grøn økonomi

Jeg var for nylig i Newcastle for at deltage PEMD2022 – den 11. internationale konference om kraftelektronik, maskiner og drev. Det, der slog mig, var ikke kun de enorme præstationsforbedringer, der er sket i elektriske motorer og generatorer, men hvor langt vi stadig skal gå for at gøre transporten fuldstændig kulfri.

Det globale salg af elbiler (inklusive fuldt batteridrevne, brændselscelle- og plug-in hybrider) fordobledes i 2021 til et rekordhøjt niveau på 6.6 mio. De tegner sig nu for 5-6 % af bilsalget, og der sælges mere hver uge end i hele 2012, ifølge Global Outlook for elbiler 2022 indberette.

Hvert nyt el-køretøj har brug for mindst én højeffekt elmotor.

Fremskrivningerne varierer, men det årlige salg forventes at stige til 65 millioner elbiler i 2030 globalt, ifølge markedsundersøgelsesfirmaet IHS Markit. Det årlige salg af køretøjer med forbrændingsmotorer vil derimod falde fra 68 millioner enheder i 2021 til 38 millioner i 2030.

Det, der er indlysende, er, at hvert nyt el-køretøj har brug for mindst én elmotor med høj effekt. Næsten alle (ca. 85 %) af disse køretøjer bruger i øjeblikket motorer med permanent magnet (PM'er), da de er de mest effektive (rekorden er 98.8 %). Nogle få bruger vekselstrøm (AC) induktionsmotorer og generatorer, men de er 4-8 % mindre effektive end PM-motorer, op til 60 % tungere og op til 70 % større.

Alligevel er disse ikke-PM-motorer og generatorer perfekte til f.eks. lastbiler, skibe og vindmøllegeneratorer. De er også nemme at genbruge, da de i princippet kan laves af ét materiale (f.eks. aluminium) og så smeltes om, når de er ved at være udtjente. Nogle firmaer, som Tesla Motors, kombinerer endda PM og elektromagnetiske tilgange i stadig mere komplekse designs for at optimere ydeevne og rækkevidde. Ingen af ​​fremskridtene inden for elektriske køretøjer ville dog være mulige uden de enorme fremskridt inden for solid-state power elektronik.

Magnetisk attraktion

Magneter er nået langt, siden en hyrde i Magnesia i det nordlige Grækenland lagde mærke til sømmene i hans sko, og metalspidsen af ​​hans stav sad fast på en magnetisk sten (eller legenden siger det). Disse "lodestones" blev brugt i tusinder af år i kompasser til at navigere, men det var først i begyndelsen af ​​1800-tallet, at Hans Christian Ørsted opdagede, at en elektrisk strøm kan påvirke en kompasnål.

Den første demonstration af en motor med roterende bevægelse fandt sted i 1821, da Michael Faraday dyppede en frithængende ledning i en pøl af kviksølv, hvorpå en PM blev placeret. Den første DC-elektriske motor, der kunne dreje maskineri, blev udviklet af en britisk videnskabsmand William Sturgeon i 1832. De amerikanske opfindere Thomas og Emily Davenport byggede den første praktiske batteridrevne DC-elektromotor på omtrent samme tid.

Disse motorer blev brugt til at drive værktøjsmaskiner og en trykpresse. Men da batteristrømmen var så dyr, var motorerne kommercielt mislykkede, og Davenports endte med at gå konkurs. Andre opfindere, der forsøgte at udvikle batteridrevne DC-motorer, kæmpede også med prisen på strømkilden. Til sidst, i 1880'erne, vendte opmærksomheden sig mod AC-motorer, som udnyttede det faktum, at AC kan sendes over lange afstande ved højspænding.

Den første AC "induktionsmotor" blev opfundet af den italienske fysiker Galileo Ferraris i 1885, med den elektriske strøm til at drive motoren opnået ved elektromagnetisk induktion fra statorviklingens magnetfelt. Skønheden ved denne enhed er, at den kan laves uden nogen elektriske forbindelser til rotoren - en kommerciel mulighed grebet af Nikola Tesla. Efter selvstændigt at have opfundet sin egen induktionsmotor i 1887, patenterede han AC-motoren året efter.

I mange år havde PM'er dog felter, der ikke var højere end naturligt forekommende magnetit (ca. 0.005 T). Det var ikke før udviklingen af ​​alnico (legeringer af overvejende aluminium, nikkel og kobolt) i 1930'erne, at praktisk anvendelige PM DC-motorer og generatorer blev en mulighed. I 1950'erne dukkede billige ferrit (keramiske) PM'er op, efterfulgt i 1960'erne af samarium- og koboltmagneter, som var stærkere igen.

Men den virkelige game-changer fandt sted i 1980'erne med opfindelsen af ​​neodym PM'er, som indeholder neodym, jern og bor. I disse dage har N42-kvaliteten af ​​neodym PM'er en styrke på omkring 1.3 T, selvom det ikke er det eneste nøgletal, når det kommer til magnet- og motordesign: driftstemperaturen er også afgørende.

Priserne på nogle sjældne jordarters materialer er steget i vejret, hvilket har foranlediget en enorm mængde forskning i nye magnetsammensætninger.

Det skyldes, at ydeevnen af ​​PM'er falder, når de varmes op, og når de når over "Curie-punktet" (ca. 320 °C for neodymmagneter), afmagnetiseres de fuldstændigt - hvilket gør motoren ubrugelig. En anden vigtig ting ved alle sjældne jordarters magneter, inklusive neodym, kobolt og samarium, er, at de har en høj koercitivitet, hvilket betyder, at de ikke let afmagnetiseres, når de er i drift. For at lave magneter med den højeste koercivitet og den bedste temperatur ydeevne har du også brug for små mængder af andre tunge sjældne jordarter såsom dysprosium, terbium og praseodym.

Et spørgsmål om udbud

Problemet er, at sjældne jordarters elementer er en mangelvare. Det er ikke fordi de i sig selv er sjældne, deres navn kommer simpelthen fra deres placering i det periodiske system. Ifølge en rapport sidste år fra Magnetics & Materials LLC, i 2030 vil verden have brug for 55,000 flere tons neodymmagneter, end der sandsynligvis vil være tilgængelige, med 40 % af den samlede efterspørgsel, der forventes at komme fra elektriske køretøjer og 11 % fra vindmøller.

Kina laver i øjeblikket 90 % af alle verdens neodymmagneter, hvorfor USA, EU og andre alle forsøger at udvikle deres muligheder i forsyningskæden for ikke at blive forfordelt. Priserne på nogle sjældne jordarters materialer er steget i vejret, hvilket har foranlediget en enorm mængde forskning i nye magnetsammensætninger, genbrug af eksisterende magneter og avancerede AC-induktionsmotorer.

Uanset hvordan man ser på det, får vi brug for en masse magneter, hvis vi skal grønnere økonomien.