James McKenzie ymmärtää, että tarvitsemme paljon magneetteja, jos haluamme muuttaa talouden vihreäksi
Olin äskettäin Newcastlessa osallistumassa PEMD2022 – 11. kansainvälinen tehoelektroniikkaa, koneita ja käyttölaitteita käsittelevä konferenssi. Minua hämmästytti paitsi sähkömoottoreissa ja generaattoreissa tapahtuneet valtavat suorituskyvyn parannukset, vaan myös se, kuinka pitkälle meidän on vielä mentävä, jotta kuljetukset tulisivat täysin hiilivapaiksi.
Sähköautojen (mukaan lukien täysakkukäyttöiset, polttokenno- ja ladattavat hybridit) maailmanlaajuinen myynti kaksinkertaistui vuonna 2021 kaikkien aikojen ennätykseen, 6.6 miljoonaan. Niiden osuus ajoneuvojen myynnistä on nyt 5–6 prosenttia, ja niitä myydään joka viikko enemmän kuin vuonna 2012. Globaalit sähköajoneuvojen näkymät 2022 raportti.
Jokainen uusi sähköauto tarvitsee vähintään yhden tehokkaan sähkömoottorin.
Ennusteet vaihtelevat, mutta markkinatutkimusyhtiön mukaan vuotuisen myynnin odotetaan kasvavan 65 miljoonaan sähköautoon vuoteen 2030 mennessä maailmanlaajuisesti. IHS Markit. Polttomoottorilla varustettujen ajoneuvojen vuosimyynti sen sijaan laskee vuoden 68 2021 miljoonasta yksiköstä 38 miljoonaan vuoteen 2030 mennessä.
On selvää, että jokainen uusi sähköajoneuvo tarvitsee vähintään yhden suuritehoisen sähkömoottorin. Lähes kaikki (noin 85 %) näistä ajoneuvoista käyttävät tällä hetkellä kestomagneettimoottoreita (PM), koska ne ovat tehokkaimpia (ennätys on 98.8 %). Jotkut käyttävät vaihtovirta-oikosulkumoottoreita ja -generaattoreita, mutta ne ovat 4–8 % vähemmän tehokkaita kuin PM-moottorit, jopa 60 % painavampia ja jopa 70 % suurempia.
Voisiko tämä vallankumouksellinen lentokone muuttaa lentomatkailun vihreäksi?
Silti nämä ei-PM-moottorit ja generaattorit sopivat täydellisesti esimerkiksi kuorma-autoihin, laivoihin ja tuuliturbiinigeneraattoreihin. Ne on myös helppo kierrättää, koska ne voidaan periaatteessa valmistaa yhdestä materiaalista (esimerkiksi alumiinista) ja sitten sulattaa käyttöikänsä päähän. Jotkut yritykset, kuten Tesla Motors, jopa yhdistävät PM- ja sähkömagneettisia lähestymistapoja yhä monimutkaisempiin malleihin optimoidakseen suorituskykyä ja kantamaa. Mikään sähköajoneuvojen edistysaskeleista ei kuitenkaan olisi mahdollista ilman solid-state-tehoelektroniikan valtavaa kehitystä.
Magneettinen vetovoima
Magneetit ovat kulkeneet pitkän matkan siitä lähtien, kun paimen Magnesiassa Pohjois-Kreikassa huomasi naulat hänen kengässään ja sauvan metallikärki juuttuneen tiukasti magneettiseen kiveen (tai niin legenda kertoo). Näitä "lodekiviä" käytettiin tuhansia vuosia kompasseissa navigointiin, mutta Hans Christian Ørsted huomasi vasta 1800-luvun alussa, että sähkövirta voi vaikuttaa kompassin neulaan.
Ensimmäinen pyörivällä liikkeellä toimivan moottorin esittely tapahtui vuonna 1821, kun Michael Faraday kastoi vapaasti riippuvan langan elohopeaaltaaseen, jonka päälle asetettiin PM. Ensimmäisen DC-sähkömoottorin, joka pystyi kääntämään koneita, kehitti brittiläinen tiedemies William Sturgeon vuonna 1832. Yhdysvaltalaiset keksijät Thomas ja Emily Davenport rakensivat ensimmäisen käytännöllisen akkukäyttöisen tasavirtasähkömoottorin suunnilleen samaan aikaan.
Näitä moottoreita käytettiin työstökoneiden ja painokoneen pyörittämiseen. Mutta koska akkuteho oli niin kallista, moottorit epäonnistuivat kaupallisesti ja Davenports joutui konkurssiin. Muut keksijät, jotka yrittivät kehittää akkukäyttöisiä tasavirtamoottoreita, kamppailivat myös virtalähteen kustannusten kanssa. Lopulta 1880-luvulla huomio kiinnitettiin AC-moottoreihin, jotka käyttivät hyväkseen sitä, että vaihtovirtaa voidaan lähettää pitkiä matkoja korkealla jännitteellä.
Italialainen fyysikko Galileo Ferraris keksi ensimmäisen AC- "induktiomoottorin" vuonna 1885, ja sähkövirta käytti moottoria sähkömagneettisella induktiolla staattorikäämin magneettikentästä. Tämän laitteen kauneus on, että se voidaan valmistaa ilman sähköliitäntöjä roottoriin – Nikola Teslan tarttumaan kaupalliseen mahdollisuuteen. Keksittyään itsenäisesti oman induktiomoottorinsa vuonna 1887, hän patentoi AC-moottorin seuraavana vuonna.
Monien vuosien ajan PM:illä ei kuitenkaan ollut suurempia kenttiä kuin luonnollisesti esiintyvä magnetiitti (noin 0.005 T). Vasta alnicon (enimmäkseen alumiinin, nikkelin ja koboltin seokset) kehittäminen 1930-luvulla mahdollisti käytännöllisesti katsoen hyödylliset PM DC-moottorit ja -generaattorit. 1950-luvulla ilmaantui edullisia ferriittisiä (keraamisia) PM:itä, joita seurasi 1960-luvulla samarium- ja kobolttimagneetit, jotka olivat jälleen vahvempia.
Mutta todellinen pelin muutos tapahtui 1980-luvulla, kun keksittiin neodyymi-PM:t, jotka sisältävät neodyymiä, rautaa ja booria. Nykyään N42-luokan neodyymi-PM:n lujuus on noin 1.3 T, vaikka se ei ole ainoa keskeinen mittari magneetin ja moottorin suunnittelussa: käyttölämpötila on myös tärkeä.
Joidenkin harvinaisten maametallien hinnat ovat nousseet pilviin, mikä on saanut valtavan määrän tutkimusta uusista magneettikoostumuksista.
Tämä johtuu siitä, että PM:ien suorituskyky laskee lämmetessään ja kun ne ylittävät "Curie-pisteen" (noin 320 °C neodyymimagneeteille), ne demagnetoituvat täysin, mikä tekee moottorista hyödyttömän. Toinen tärkeä asia kaikissa harvinaisten maametallien magneeteissa, mukaan lukien neodyymi, koboltti ja samarium, on, että niillä on korkea koersitiivisuus, mikä tarkoittaa, että ne eivät demagnetoidu helposti käytön aikana. Tehdäksesi korkeimman koersitiivisen ja parhaan lämpötilan suorituskyvyn magneetteja tarvitset myös pieniä määriä muita raskaita harvinaisia maametalleja, kuten dysprosiumia, terbiumia ja praseodyymiä.
Tarjontakysymys
Ongelmana on, että harvinaisten maametallien elementeistä on pulaa. Se ei johdu siitä, että ne ovat luonnostaan harvinaisia, vaan heidän nimensä tulee yksinkertaisesti niiden sijainnista jaksollisessa taulukossa. Viime vuoden raportin mukaan Magnetics & Materials LLC, vuoteen 2030 mennessä maailma tarvitsee 55,000 40 tonnia enemmän neodyymimagneetteja kuin todennäköisesti on saatavilla, ja 11 % kokonaiskysynnästä odotetaan tulevan sähköajoneuvoista ja XNUMX % tuuliturbiineista.
Kiina valmistaa tällä hetkellä 90 prosenttia maailman kaikista neodyymimagneeteista, minkä vuoksi Yhdysvallat, EU ja muut yritykset pyrkivät kaikki kehittämään kykyjään toimitusketjussa, jotta ne eivät joutuisi epäedulliseen asemaan. Joidenkin harvinaisten maametallien hinnat ovat nousseet pilviin, mikä on aiheuttanut valtavan määrän tutkimusta uusista magneettikoostumuksista, olemassa olevien magneettien kierrätyksestä ja kehittyneistä AC-induktiomoottoreista.
Miltä suunnalta katsotkaan, tarvitsemme paljon magneetteja, jos aiomme tehdä talouden vihreästä.
