James McKenzie rájön, hogy sok mágnesre lesz szükségünk, ha zölddel akarjuk tenni a gazdaságot
Nemrég Newcastle-ben voltam, hogy részt vegyek PEMD2022 – a 11. nemzetközi teljesítményelektronika, gépek és hajtások konferenciája. Nemcsak az elektromos motorok és generátorok teljesítményének hatalmas javulása döbbent meg, hanem az is, hogy mennyit kell még tennünk ahhoz, hogy a szállítást teljesen szén-dioxid-mentessé tegyük.
Az elektromos autók globális értékesítése (beleértve a teljesen akkumulátoros, üzemanyagcellás és plug-in hibrideket is) 2021-ben megduplázódott, és minden idők legmagasabbra, 6.6 millióra nőtt. A járműeladások 5-6%-át adják, és hetente többet adnak el, mint 2012 egészében. Global Electric Vehicle Outlook 2022 jelentést.
Minden új elektromos járműhöz legalább egy nagy teljesítményű villanymotorra lesz szükség.
Az előrejelzések eltérőek, de az éves eladások várhatóan 65 millió elektromos járműre nőnek 2030-ra világszerte – állítja egy piackutató cég. IHS Markit. Ezzel szemben a belső égésű motorral szerelt járművek éves eladása a 68-es 2021 millióról 38-ra 2030 millióra csökken.
Nyilvánvaló, hogy minden új elektromos járműhöz legalább egy nagy teljesítményű villanymotorra lesz szükség. Ezeknek a járműveknek szinte mindegyike (mintegy 85%) jelenleg állandó mágneses (PM) motort használ, mivel ezek a leghatékonyabbak (a rekord 98.8%). Néhányan váltakozó áramú (AC) indukciós motorokat és generátorokat használnak, de ezek 4–8%-kal kevésbé hatékonyak, mint a PM-motorok, akár 60%-kal nehezebbek és 70%-kal nagyobbak.
Lehet, hogy ez a forradalmi gép zölddé változtatja a légi közlekedést?
Ennek ellenére ezek a nem PM motorok és generátorok tökéletesek például teherautókhoz, hajókhoz és szélturbina generátorokhoz. Könnyen újrahasznosíthatók is, mivel elvileg egyetlen anyagból (mondjuk alumíniumból) készülhetnek, majd élettartamuk végére felolvaszthatók. Egyes cégek, például a Tesla Motors, a teljesítmény és a hatótávolság optimalizálása érdekében még a PM és az elektromágneses megközelítéseket is egyre összetettebb konstrukciókban kombinálják. Az elektromos járművek fejlődése azonban nem lenne lehetséges a szilárdtestalapú teljesítményelektronika hatalmas fejlődése nélkül.
Mágneses vonzerő
A mágnesek hosszú utat tettek meg azóta, hogy egy pásztor az észak-görögországi Magnesiában észrevette a szögeket a cipőjében, és botjának fémhegye erősen ráragadt egy mágneses sziklára (a legenda szerint legalábbis így van). Ezeket a „köveket” évezredek óta használták iránytűben a navigációhoz, de Hans Christian Ørsted csak az 1800-as évek elején fedezte fel, hogy az elektromos áram befolyásolhatja az iránytűt.
A forgó mozgású motor első bemutatója 1821-ben történt, amikor Michael Faraday egy szabadon lógó vezetéket mártott egy higanymedencébe, amelyre egy PM-et helyeztek. Az első egyenáramú villanymotort, amely gépeket tudott forgatni, brit tudós fejlesztette ki William Sturgeon 1832-ben. Thomas és Emily Davenport amerikai feltalálók nagyjából ugyanebben az időben építették meg az első praktikus akkumulátoros egyenáramú villanymotort.
Ezeket a motorokat szerszámgépek és nyomdagép működtetésére használták. De mivel az akkumulátor olyan drága volt, a motorok kereskedelmileg sikertelenek voltak, és Davenporték csődbe mentek. Más feltalálók, akik megpróbáltak akkumulátoros egyenáramú motorokat fejleszteni, szintén küzdöttek az áramforrás költségeivel. Végül az 1880-as években a figyelem a váltakozó áramú motorok felé fordult, amelyek kihasználták, hogy a váltakozó áramot nagy feszültséggel nagy távolságra is el lehet küldeni.
Az első váltakozó áramú „indukciós motort” Galileo Ferraris olasz fizikus találta fel 1885-ben, az állórész tekercsének mágneses teréből elektromágneses indukcióval nyert elektromos árammal. Ennek az eszköznek az a szépsége, hogy a forgórész elektromos csatlakozása nélkül is elkészíthető – Nikola Tesla ezzel a kereskedelmi lehetőséggel élt. Miután 1887-ben önállóan feltalálta saját indukciós motorját, a következő évben szabadalmaztatta az AC motort.
Sok éven át azonban a PM-ek mezői nem voltak nagyobbak, mint a természetben előforduló magnetit (körülbelül 0.005 T). Csak az alnico (többnyire alumínium, nikkel és kobalt ötvözetek) 1930-as években történő kifejlesztésével vált lehetségessé a gyakorlatilag hasznos PM DC motorok és generátorok. Az 1950-es években megjelentek az alacsony költségű ferrit (kerámia) PM-ek, majd az 1960-as években a szamárium és a kobalt mágnesek, amelyek ismét erősebbek voltak.
Az igazi változás azonban az 1980-as években következett be, amikor feltalálták a neodímium PM-eket, amelyek neodímiumot, vasat és bórt tartalmaznak. Manapság az N42 típusú neodímium PM-ek szilárdsága körülbelül 1.3 T, bár nem ez az egyetlen kulcsfontosságú mutató a mágnes és a motor kialakításánál: az üzemi hőmérséklet is létfontosságú.
Egyes ritkaföldfém-anyagok ára az egekbe szökött, ami hatalmas mennyiségű kutatást indított új mágneskompozíciók kidolgozására.
Ennek az az oka, hogy a PM-ek teljesítménye csökken, ahogy felmelegednek, és amint a „Curie-pont” fölé mennek (kb. 320 °C a neodímium mágneseknél), teljesen lemágneseznek, ami használhatatlanná teszi a motort. Egy másik fontos dolog az összes ritkaföldfém-mágnesnél, beleértve a neodímiumot, kobaltot és szamáriumot is, hogy nagy koercitivitással rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy működés közben nem lemágneseznek könnyen. A legmagasabb koercitív és legjobb hőmérsékleti teljesítményű mágnesek készítéséhez kis mennyiségű egyéb nehéz ritkaföldfémre is szükség van, mint például diszprózium, terbium és prazeodímium.
Ellátás kérdése
A probléma az, hogy a ritkaföldfém-elemekből hiány van. Nem azért, mert alapvetően ritkák, a nevük egyszerűen a periódusos rendszerben elfoglalt helyükről származik. Egy tavalyi jelentés szerint től Magnetics & Materials LLC2030-ra a világnak 55,000 40 tonnával több neodímium mágnesre lesz szüksége, mint amennyi valószínűleg elérhető, és a teljes kereslet 11%-a várhatóan elektromos járművekből, XNUMX%-a pedig szélturbinákból származik majd.
Kína jelenleg a világ összes neodímium mágnesének 90%-át állítja elő, ezért az USA, az EU és mások is igyekeznek fejleszteni képességeiket az ellátási láncban, hogy ne kerüljenek hátrányba. Egyes ritkaföldfém-anyagok ára az egekbe szökött, ami hatalmas mennyiségű kutatást késztetett az új mágnesek összetételére, a meglévő mágnesek újrahasznosítására és a fejlett AC indukciós motorokra.
Bárhogyan is nézzük, sok mágnesre lesz szükségünk, ha környezetbarátabbá akarjuk tenni a gazdaságot.
