James McKenzie innser at vi kommer til å trenge mange magneter hvis vi vil gjøre økonomien grønn
Jeg var nylig i Newcastle for å delta PEMD2022 – den 11. internasjonale konferansen om kraftelektronikk, maskiner og drivverk. Det som slo meg var ikke bare de enorme ytelsesforbedringene som har skjedd i elektriske motorer og generatorer, men hvor langt vi fortsatt må gå for å gjøre transport helt karbonfri.
Det globale salget av elbiler (inkludert fullt batteridrevne, brenselcelle- og plug-in hybrider) doblet seg i 2021 til en all-time high på 6.6 millioner. De står nå for 5–6 % av bilsalget, og det selges mer hver uke enn i hele 2012, ifølge Global Electric Vehicle Outlook 2022 rapporterer.
Hvert nye elektriske kjøretøy trenger minst én elektrisk motor med høy effekt.
Anslagene varierer, men årlig salg forventes å øke til 65 millioner elektriske kjøretøy innen 2030 globalt, ifølge markedsundersøkelsesfirmaet IHS Markit. Årlig salg av kjøretøy med forbrenningsmotorer vil derimot gå ned fra 68 millioner enheter i 2021 til 38 millioner innen 2030.
Det som er åpenbart er at hvert nytt elektrisk kjøretøy trenger minst én elektrisk motor med høy effekt. Nesten alle (omtrent 85 %) av disse kjøretøyene bruker for tiden motorer med permanent magnet (PM) da de er de mest effektive (rekorden er 98.8 %). Noen få bruker induksjonsmotorer og generatorer med vekselstrøm (AC), men de er 4–8 % mindre effektive enn PM-motorer, opptil 60 % tyngre og opptil 70 % større.
Kan dette revolusjonerende flyet bli grønt på flyreiser?
Likevel er disse ikke-PM-motorene og generatorene perfekte for for eksempel lastebiler, skip og vindturbingeneratorer. De er også enkle å resirkulere ettersom de i prinsippet kan lages av ett materiale (for eksempel aluminium) og deretter smeltes ned når de kommer til slutten av livet. Noen firmaer, som Tesla Motors, kombinerer til og med PM og elektromagnetiske tilnærminger i stadig mer komplekse design for å optimalisere ytelsen og rekkevidden. Ingen av fremskrittene innen elektriske kjøretøy ville imidlertid vært mulig uten de enorme fremskrittene innen solid-state kraftelektronikk.
Magnetisk tiltrekning
Magneter har kommet langt siden en gjeter i Magnesia i Nord-Hellas la merke til spikrene i skoen hans og metalltuppen på staven hans ble festet fast til en magnetisk stein (eller så legenden sier det). Disse "lodestones" ble brukt i tusenvis av år i kompass for å navigere, men det var først på begynnelsen av 1800-tallet at Hans Christian Ørsted oppdaget at en elektrisk strøm kan påvirke en kompassnål.
Den første demonstrasjonen av en motor med roterende bevegelse skjedde i 1821 da Michael Faraday dyppet en fritthengende ledning i en kvikksølvbasseng som en PM ble plassert på. Den første DC-elektriske motoren som kunne snu maskineri ble utviklet av en britisk vitenskapsmann William Sturgeon i 1832. De amerikanske oppfinnerne Thomas og Emily Davenport bygde den første praktiske batteridrevne DC-elektromotoren omtrent samtidig.
Disse motorene ble brukt til å drive maskinverktøy og en trykkpresse. Men siden batteristrømmen var så dyr, var motorene kommersielt mislykkede, og Davenports endte opp konkurs. Andre oppfinnere som prøvde å utvikle batteridrevne likestrømsmotorer slet også med kostnadene for strømkilden. Etter hvert, på 1880-tallet, ble oppmerksomheten rettet mot AC-motorer, som utnyttet det faktum at AC kan sendes over lange avstander med høy spenning.
Den første AC "induksjonsmotoren" ble oppfunnet av den italienske fysikeren Galileo Ferraris i 1885, med den elektriske strømmen for å drive motoren oppnådd ved elektromagnetisk induksjon fra magnetfeltet til statorviklingen. Det fine med denne enheten er at den kan lages uten noen elektriske tilkoblinger til rotoren - en kommersiell mulighet grepet av Nikola Tesla. Etter å ha selvstendig oppfunnet sin egen induksjonsmotor i 1887, patenterte han AC-motoren året etter.
I mange år hadde imidlertid PM-er felt som ikke var høyere enn naturlig forekommende magnetitt (omtrent 0.005 T). Det var ikke før utviklingen av alnico (legeringer av hovedsakelig aluminium, nikkel og kobolt) på 1930-tallet at praktisk nyttige PM DC-motorer og generatorer ble en mulighet. På 1950-tallet dukket det opp billige ferritt (keramiske) PM-er, etterfulgt på 1960-tallet av samarium- og koboltmagneter, som var sterkere igjen.
Men den virkelige game-changer skjedde på 1980-tallet med oppfinnelsen av neodym PM, som inneholder neodym, jern og bor. I disse dager har N42-klassen av neodym PM-er en styrke på rundt 1.3 T, selv om det ikke er den eneste nøkkelberegningen når det kommer til magnet- og motordesign: driftstemperatur er også viktig.
Prisene på noen sjeldne jordartsmaterialer har skutt i været, noe som har ført til en enorm mengde forskning på nye magnetsammensetninger.
Det er fordi ytelsen til PM-er faller når de varmes opp, og når de går over "Curie-punktet" (ca. 320 °C for neodymmagneter), avmagnetiseres de fullstendig – noe som gjør motoren ubrukelig. En annen viktig ting med alle magneter fra sjeldne jordarter, inkludert neodym, kobolt og samarium, er at de har høy koercitivitet, noe som betyr at de ikke avmagnetiseres lett når de er i drift. For å lage magneter med høyest koercitivitet og beste temperaturytelse trenger du også små mengder av andre tunge sjeldne jordarter som dysprosium, terbium og praseodym.
Et spørsmål om tilbud
Problemet er at sjeldne jordelementer er mangelvare. Det er ikke fordi de er i seg selv sjeldne, navnet deres kommer ganske enkelt fra deres plassering i det periodiske systemet. Ifølge en rapport i fjor fra Magnetics & Materials LLC, innen 2030 vil verden trenge 55,000 40 flere tonn neodymmagneter enn det som sannsynligvis vil være tilgjengelig, med 11 % av den totale etterspørselen som forventes å komme fra elektriske kjøretøy og XNUMX % fra vindturbiner.
Kina lager for tiden 90 % av alle verdens neodymmagneter, og det er grunnen til at USA, EU og andre alle prøver å utvikle sine evner i forsyningskjeden for ikke å bli forfordelt. Prisene på noen sjeldne jordartsmaterialer har skutt i været, noe som har ført til en enorm mengde forskning på nye magnetsammensetninger, resirkulering av eksisterende magneter og avanserte AC-induksjonsmotorer.
Uansett hvordan du ser på det, kommer vi til å trenge mange magneter hvis vi skal grønnere økonomien.
