제임스 맥켄지 우리가 경제를 녹색으로 바꾸려면 많은 자석이 필요하다는 것을 깨닫습니다.
저는 최근 뉴캐슬에 참석하기 위해 다녀왔습니다 PEMD2022 – 전력 전자, 기계 및 드라이브에 관한 제11차 국제 컨퍼런스. 저를 놀라게 한 것은 전기 모터와 발전기에서 엄청난 성능 향상이 이루어졌을 뿐만 아니라 운송 수단을 완전히 탄소 없는 환경으로 만들기 위해 아직 얼마나 더 가야 하는지였습니다.
2021년 전 세계 전기 자동차(완전 배터리 구동, 연료 전지 및 플러그인 하이브리드 포함) 판매량은 두 배 증가한 6.6만 대를 기록했습니다. 현재 자동차 판매량의 5~6%를 차지하고 있으며, 2012년 전체보다 매주 더 많은 판매량을 보이고 있다고 합니다. 2022년 글로벌 전기자동차 전망 신고.
각각의 새로운 전기 자동차에는 적어도 하나의 고출력 전기 모터가 필요합니다.
예측은 다양하지만, 시장 조사 회사에 따르면 65년까지 전 세계적으로 연간 전기 자동차 판매량이 2030만 대까지 증가할 것으로 예상됩니다. IHS 마킷. 반면 내연기관 차량의 연간 판매량은 68년 2021만대에서 38년 2030만대로 감소할 것으로 예상된다.
분명한 것은 각각의 새로운 전기 자동차에는 적어도 하나의 고출력 전기 모터가 필요하다는 것입니다. 현재 이들 차량 중 거의 모두(약 85%)가 영구자석(PM)이 장착된 모터를 사용하고 있는데, 이는 가장 효율적이기 때문입니다(기록은 98.8%). 일부는 교류(AC) 유도 전동기와 발전기를 사용하지만 PM 모터보다 효율이 4~8% 낮고 최대 60% 더 무겁고 최대 70% 더 큽니다.
이 혁신적인 비행기가 항공 여행을 친환경적으로 바꿀 수 있을까요?
그럼에도 불구하고 이러한 비PM 모터 및 발전기는 예를 들어 트럭, 선박 및 풍력 터빈 발전기에 적합합니다. 또한 원칙적으로 하나의 재료(예: 알루미늄)로 만든 다음 수명이 다하면 녹일 수 있으므로 재활용도 쉽습니다. Tesla Motors와 같은 일부 회사는 성능과 주행 거리를 최적화하기 위해 훨씬 더 복잡한 설계에 PM과 전자기 접근 방식을 결합하기도 합니다. 그러나 전기 자동차의 발전은 고체 전력 전자 장치의 엄청난 발전 없이는 불가능합니다.
자기 인력
자석은 그리스 북부 마그네시아의 양치기가 자기 신발의 못과 지팡이의 금속 끝이 자성 암석(전설에 따르면)에 단단히 붙어 있는 것을 발견한 이후로 먼 길을 걸어왔습니다. 이 "자석"은 탐색을 위해 수천 년 동안 나침반에 사용되었지만 Hans Christian Ørsted가 전류가 나침반 바늘에 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견한 것은 1800년대 초였습니다.
회전 운동이 가능한 모터의 첫 번째 시연은 1821년에 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 PM이 놓인 수은 웅덩이에 자유롭게 매달린 와이어를 담갔을 때 발생했습니다. 기계를 회전시킬 수 있는 최초의 DC 전기 모터는 영국 과학자에 의해 개발되었습니다. 윌리엄 스터 전 미국 발명가인 Thomas와 Emily Davenport는 거의 동시에 최초의 실용적인 배터리 구동 DC 전기 모터를 제작했습니다.
이 모터는 공작 기계와 인쇄기를 작동하는 데 사용되었습니다. 그러나 배터리 전력이 너무 비싸서 모터는 상업적으로 성공하지 못했고, 데이븐포트는 결국 파산하게 되었습니다. 배터리로 구동되는 DC 모터를 개발하려는 다른 발명가들도 전원 비용 문제로 어려움을 겪었습니다. 결국 1880년대에는 AC 모터가 주목을 받게 되었는데, 이는 AC가 고전압으로 장거리로 전송될 수 있다는 점을 이용했습니다.
최초의 AC "유도 전동기"는 1885년 이탈리아 물리학자 갈릴레오 페라리스(Galileo Ferraris)에 의해 발명되었으며, 고정자 권선의 자기장에서 전자기 유도를 통해 얻은 전류로 모터를 구동했습니다. 이 장치의 장점은 로터에 전기를 연결하지 않고도 만들 수 있다는 점입니다. 이는 Nikola Tesla가 상업적 기회를 포착한 것입니다. 1887년에 독자적으로 유도 모터를 발명한 그는 이듬해 AC 모터에 대한 특허를 받았습니다.
그러나 수년 동안 PM은 자연적으로 발생하는 자철석(약 0.005T)보다 높지 않은 자기장을 가졌습니다. 1930년대에 알니코(주로 알루미늄, 니켈, 코발트의 합금)가 개발되고 나서야 실질적으로 유용한 PM DC 모터 및 발전기가 가능해졌습니다. 1950년대에는 저가의 페라이트(세라믹) PM이 등장했고, 1960년대에는 다시 더 강한 사마륨과 코발트 자석이 등장했습니다.
그러나 진정한 판도를 바꾸게 된 것은 1980년대 네오디뮴, 철, 붕소를 함유한 네오디뮴 PM의 발명이었습니다. 요즘 N42 등급의 네오디뮴 PM은 약 1.3T의 강도를 갖고 있지만 자석 및 모터 설계에 있어 이것이 유일한 주요 측정 기준은 아니며 작동 온도도 매우 중요합니다.
일부 희토류 재료의 가격이 급등하여 새로운 자석 구성에 대한 엄청난 양의 연구가 촉발되었습니다.
그 이유는 PM의 성능이 예열됨에 따라 떨어지고 일단 "퀴리점"(네오디뮴 자석의 경우 약 320°C) 이상으로 올라가면 완전히 자기가 없어져 모터가 쓸모 없게 되기 때문입니다. 네오디뮴, 코발트, 사마륨을 포함한 모든 희토류 자석의 또 다른 중요한 점은 보자력이 높아 작동 중에 쉽게 자기가 없어지지 않는다는 것입니다. 최고의 보자력과 최고의 온도 성능 자석을 만들려면 디스프로슘, 테르븀, 프라세오디뮴과 같은 소량의 다른 무거운 희토류도 필요합니다.
공급의 문제
문제는 희토류 원소의 공급이 부족하다는 점이다. 본질적으로 희귀하기 때문이 아니라, 그 이름은 단순히 주기율표에서의 위치에서 따온 것입니다. 지난해 한 보고서에 따르면 자기학 및 재료 LLC, 2030년까지 세계에는 현재 사용 가능한 것보다 55,000톤 더 많은 네오디뮴 자석이 필요할 것이며, 전체 수요의 40%는 전기 자동차에서, 11%는 풍력 터빈에서 나올 것으로 예상됩니다.
중국은 현재 전 세계 네오디뮴 자석의 90%를 생산하고 있으며, 이것이 바로 미국, 유럽연합(EU) 등이 불이익을 받지 않기 위해 공급망에서 역량을 개발하려고 노력하는 이유입니다. 일부 희토류 재료의 가격이 급등하여 새로운 자석 구성, 기존 자석 재활용 및 고급 AC 유도 모터에 대한 엄청난 양의 연구가 촉발되었습니다.
어떤 관점에서 보든 우리가 경제를 녹색화하려면 많은 자석이 필요할 것입니다.
