磁石、磁石、磁石：環境に優しい経済にはたくさんの磁石が必要です

私は最近ニューカッスルに出席するために来ました PEMD2022 – パワー エレクトロニクス、機械、ドライブに関する第 11 回国際会議。 私が驚いたのは、電気モーターと発電機で起こっている大幅なパフォーマンスの改善だけでなく、輸送を完全にカーボンフリーにするためには、まだどこまで行かなければならないかということでした.

電気自動車 (完全バッテリー駆動、燃料電池、プラグイン ハイブリッドを含む) の世界販売台数は、2021 年に倍増し、史上最高の 6.6 万台に達しました。 彼らは現在、車両販売の 5 ～ 6% を占めており、毎週の販売台数は 2012 年全体よりも多くなっています。 2022 年の世界の電気自動車の見通し レポート.

新しい電気自動車には、少なくとも XNUMX つの高出力電気モーターが必要です。

予測はさまざまですが、市場調査会社によると、電気自動車の年間販売台数は 65 年までに世界で 2030 万台に増加すると予想されています。 IHSマークイット. 対照的に、内燃機関を搭載した自動車の年間販売台数は、68 年の 2021 万台から 38 年には 2030 万台に減少します。

明らかなことは、新しい電気自動車には、少なくとも 85 つの高出力電気モーターが必要になるということです。 現在、これらの車両のほぼすべて (約 98.8%) は、最も効率的な永久磁石 (PM) を備えたモーターを使用しています (記録は 4%)。 いくつかは交流 (AC) 誘導モーターと発電機を使用していますが、それらは PM モーターよりも 8 ～ 60% 効率が低く、最大 70% 重く、最大 XNUMX% 大きくなります。

それでも、これらの非 PM モーターと発電機は、トラック、船舶、風力発電機などに最適です。 また、原則として XNUMX つの材料 (たとえばアルミニウム) でできており、寿命が来たら溶かすことができるため、リサイクルも容易です。 Tesla Motors などの一部の企業は、パフォーマンスと航続距離を最適化するために、より複雑な設計で PM と電磁気のアプローチを組み合わせています。 しかし、ソリッドステート パワー エレクトロニクスの大幅な進歩なくして、電気自動車の進歩はありません。

磁気引力

ギリシャ北部のマグネシアの羊飼いが、靴の釘とスタッフの金属の先端が磁気の岩にしっかりとくっついているのに気づいて以来、磁石は長い道のりを歩んできました (または伝説によると)。 これらの「ロードストーン」は、ナビゲーションのためにコンパスで何千年も使用されていましたが、電流がコンパスの針に影響を与える可能性があることをハンス・クリスチャン・エルステッドが発見したのは 1800 年代初頭のことでした。

回転運動を伴うモーターの最初のデモンストレーションは、1821 年にマイケル ファラデーが自由にぶら下がっているワイヤーを水銀のプールに浸し、その上に PM を配置したときに発生しました。 機械を回すことができる最初の DC 電気モーターは、英国の科学者によって開発されました。 ウィリアム・スタージョン 1832 年。米国の発明家である Thomas と Emily Davenport は、ほぼ同時に、最初の実用的なバッテリー駆動の DC 電気モーターを製造しました。

これらのモーターは、工作機械や印刷機を動かすために使用されました。 しかし、バッテリーの電力が非常に高価だったため、モーターは商業的に成功せず、ダベンポートは破産しました。 バッテリー駆動の DC モーターを開発しようとした他の発明者も、電源のコストに苦労しました。 最終的に、1880 年代になると、交流を高電圧で長距離送ることができるという事実を利用した交流モーターに注意が向けられました。

最初の AC「誘導モーター」は、1885 年にイタリアの物理学者ガリレオ フェラーリスによって発明されました。モーターを駆動する電流は、固定子巻線の磁場からの電磁誘導によって得られます。 この装置の優れた点は、ローターへの電気的接続なしで作成できることです。これは、ニコラ・テスラが商機を捉えたものです。 1887年に誘導電動機を独自に発明し、翌年交流電動機の特許を取得。

しかし、何年もの間、PM は自然に発生する磁鉄鉱 (約 0.005 T) よりも高い磁場を持っていませんでした。 1930 年代にアルニコ (主にアルミニウム、ニッケル、コバルトの合金) が開発されて初めて、実用的な PM DC モーターと発電機が可能になりました。 1950 年代に低コストのフェライト (セラミック) PM が登場し、1960 年代には再び強力なサマリウム磁石とコバルト磁石が続きました。

しかし、真のゲームチェンジャーは、ネオジム、鉄、ホウ素を含むネオジム PM の発明により、1980 年代に発生しました。 最近では、N42 グレードのネオジム PM の強度は約 1.3 T ですが、磁石とモーターの設計に関して重要な指標はこれだけではありません。動作温度も重要です。

一部の希土類材料の価格が急騰したため、新しい磁石組成に関する膨大な量の研究が行われています。

これは、PM がウォームアップすると性能が低下し、「キュリー点」 (ネオジム磁石の場合は約 320 °C) を超えると完全に消磁され、モーターが役に立たなくなるためです。 ネオジム、コバルト、サマリウムを含むすべての希土類磁石のもう XNUMX つの重要な点は、保磁力が高いことです。つまり、動作中に簡単に減磁しません。 最高の保磁力と最高の温度性能の磁石を作るには、ジスプロシウム、テルビウム、プラセオジムなどの他の重希土類も少量必要です。

供給の問題

問題は、希土類元素が不足していることです。 それらが本質的にまれだからではなく、それらの名前は単に周期表の位置に由来しています. 昨年の報道によると マグネティックス & マテリアルズ LLC、2030年までに、世界は利用可能と思われるよりも55,000トン多くのネオジム磁石を必要とし、総需要の40％が電気自動車から、11％が風力タービンから来ると予想されています.

中国は現在、世界のネオジム磁石の 90% を製造しています。そのため、米国、EU などはすべて、サプライ チェーンで不利にならないように能力を開発しようとしています。 一部の希土類材料の価格が急騰したため、新しい磁石組成、既存の磁石のリサイクル、および高度な AC 誘導モーターに関する膨大な量の研究が行われています。

いずれにせよ、経済をグリーン化するには、多くの磁石が必要になります。