James McKenzie mõistab, et majanduse roheliseks muutmiseks on meil vaja palju magneteid
Olin hiljuti Newcastle'is, et osaleda PEMD2022 – 11. rahvusvaheline jõuelektroonika, masinate ja ajamite konverents. Mind rabas mitte ainult elektrimootorite ja generaatorite jõudluse tohutu paranemine, vaid ka see, kui kaugele me veel peame minema, et muuta transport täielikult süsinikuvabaks.
Elektriautode (sealhulgas täisakutoitel, kütuseelemendiga ja pistikühendusega hübriidid) müük kahekordistus 2021. aastal kõigi aegade kõrgeima tasemeni 6.6 miljonini. Praegu moodustavad need 5–6% sõidukite müügist, kusjuures igal nädalal müüakse neid rohkem kui kogu 2012. aastal. Globaalne elektrisõidukite väljavaade 2022 aru.
Iga uus elektrisõiduk vajab vähemalt ühte suure võimsusega elektrimootorit.
Prognoosid on erinevad, kuid turu-uuringufirma andmetel kasvab aastane müük 65. aastaks kogu maailmas 2030 miljoni elektrisõidukini. IHS Markit. Seevastu sisepõlemismootoriga sõidukite aastane müük väheneb 68 miljonilt ühikult 2021. aastal 38 miljonile 2030. aastaks.
Ilmselge on see, et iga uus elektrisõiduk vajab vähemalt ühte suure võimsusega elektrimootorit. Peaaegu kõik (umbes 85%) neist sõidukitest kasutavad praegu püsimagnetiga (PM) mootoreid, kuna need on kõige tõhusamad (rekord on 98.8%). Mõned kasutavad vahelduvvoolu (AC) asünkroonmootoreid ja generaatoreid, kuid need on 4–8% vähem tõhusad kui PM-mootorid, kuni 60% raskemad ja kuni 70% suuremad.
Kas see revolutsiooniline lennuk võiks muuta lennureisid roheliseks?
Siiski sobivad need mitte-PM mootorid ja generaatorid suurepäraselt näiteks veoautode, laevade ja tuuleturbiinide generaatorite jaoks. Neid on ka lihtne taaskasutada, kuna need võivad põhimõtteliselt olla valmistatud ühest materjalist (näiteks alumiiniumist) ja seejärel sulatada, kui nende eluiga on lõppenud. Mõned ettevõtted, nagu Tesla Motors, ühendavad jõudluse ja ulatuse optimeerimiseks isegi PM-i ja elektromagnetilisi lähenemisviise üha keerukamates konstruktsioonides. Ükski elektrisõidukite edusammudest poleks aga võimalik ilma tahkis-jõuelektroonika tohutute edusammudeta.
Magnetiline atraktsioon
Magnetid on jõudnud kaugele sellest ajast, kui Põhja-Kreekas Magneesias asuv lambakoer märkas tema kingas olevaid naelu ja tema kepi metallist ots oli magnetilise kivi külge kinni jäänud (vähemalt legendi järgi). Neid "loodekive" kasutati tuhandeid aastaid navigeerimiseks kompassides, kuid alles 1800. aastate alguses avastas Hans Christian Ørsted, et elektrivool võib mõjutada kompassi nõela.
Esimest korda demonstreeriti pöörleva liikumisega mootorit 1821. aastal, kui Michael Faraday kastis vabalt rippuva traadi elavhõbedabasseini, millele asetati PM. Esimese alalisvoolu elektrimootori, mis suutis masinaid pöörata, töötas välja Briti teadlane William Sturgeon aastal 1832. USA leiutajad Thomas ja Emily Davenport ehitasid umbes samal ajal esimese praktilise akutoitega alalisvoolu elektrimootori.
Neid mootoreid kasutati tööpinkide ja trükipressi töötamiseks. Kuid kuna akutoide oli nii kallis, olid mootorid äriliselt ebaõnnestunud ja Davenports läks pankrotti. Teised leiutajad, kes püüdsid välja töötada akutoitega alalisvoolumootoreid, olid samuti hädas toiteallika maksumusega. Lõpuks, 1880. aastatel, hakati tähelepanu pöörama vahelduvvoolumootoritele, mis kasutasid ära asjaolu, et vahelduvvoolu saab kõrgepingega saata pikkade vahemaade taha.
Esimese vahelduvvoolu "asünkroonmootori" leiutas Itaalia füüsik Galileo Ferraris 1885. aastal, staatorimähise magnetväljast elektromagnetilise induktsiooni teel saadud mootori käitamiseks elektrivooluga. Selle seadme ilu seisneb selles, et seda saab teha ilma rootoriga elektriühendusteta – Nikola Tesla on sellest ärilisest võimalusest kinni haaranud. Olles 1887. aastal iseseisvalt leiutanud oma asünkroonmootori, patenteeris ta järgmisel aastal vahelduvvoolumootori.
Paljude aastate jooksul ei olnud PM-de väljad aga kõrgemad kui looduslikult esinev magnetiit (umbes 0.005 T). Alles alnico (enamasti alumiiniumi, nikli ja koobalti sulamid) väljatöötamisel 1930. aastatel said praktiliselt kasulikud PM DC mootorid ja generaatorid võimalikuks. 1950. aastatel ilmusid odavad ferriidist (keraamilised) PM-id, millele järgnesid 1960. aastatel samariumi- ja koobaltimagnetid, mis olid taas tugevamad.
Kuid tõeline mängumuutus toimus 1980. aastatel, kui leiutati neodüümi PM-id, mis sisaldavad neodüümi, rauda ja boori. Tänapäeval on N42 klassi neodüüm-PM-de tugevus umbes 1.3 T, kuigi see pole magneti ja mootori konstruktsiooni puhul ainus võtmenäitaja: ka töötemperatuur on ülioluline.
Mõnede haruldaste muldmetallide materjalide hinnad on hüppeliselt tõusnud, ajendades tegema tohutul hulgal uuringuid uute magnetkompositsioonide alal.
Selle põhjuseks on asjaolu, et PM-ide jõudlus langeb soojenemisel ja kui need lähevad üle Curie-punkti (neodüümmagnetite puhul umbes 320 °C), demagnetiseeruvad need täielikult, muutes mootori kasutuks. Teine oluline asi kõigi haruldaste muldmetallide magnetite, sealhulgas neodüümi, koobalti ja samariumi puhul, on see, et neil on kõrge koertsitiivsus, mis tähendab, et nad ei demagnetiseeru töötamise ajal kergesti. Suurima koertsitiivsusega ja parima temperatuuriga magnetite valmistamiseks vajate ka väikeses koguses muid raskeid haruldasi muldmetallisid, nagu düsproosium, terbium ja praseodüüm.
Pakkumise küsimus
Probleem on selles, et haruldaste muldmetallide elemente napib. Mitte sellepärast, et nad on oma olemuselt haruldased, nende nimi tuleneb lihtsalt nende asukohast perioodilisuse tabelis. Eelmise aasta aruande kohaselt alates Magnetics & Materials LLC, aastaks 2030 vajab maailm 55,000 40 tonni rohkem neodüümmagneteid, kui tõenäoliselt saadaval on, kusjuures 11% kogunõudlusest pärineb eeldatavalt elektrisõidukitest ja XNUMX% tuuleturbiinidest.
Hiina toodab praegu 90% kõigist maailma neodüümmagnetitest, mistõttu USA, EL ja teised üritavad kõik oma võimeid tarneahelas arendada, et mitte sattuda ebasoodsasse olukorda. Mõnede haruldaste muldmetallide materjalide hinnad on hüppeliselt tõusnud, põhjustades tohutul hulgal uuringuid uute magnetkompositsioonide, olemasolevate magnetite ringlussevõtu ja täiustatud vahelduvvoolu induktsioonmootorite alal.
Ükskõik, kuidas te seda vaatate, vajame majanduse rohelisemaks muutmiseks palju magneteid.
