Магниты, магниты, магниты: их нам понадобится много для зеленой экономики

Недавно я был в Ньюкасле, чтобы принять участие PEMD2022 XNUMX – 11-я международная конференция по силовой электронике, машинам и приводам. Что меня поразило, так это не только огромные улучшения производительности электродвигателей и генераторов, но и то, как далеко нам еще предстоит пройти, чтобы сделать транспорт полностью безуглеродным.

Мировые продажи электромобилей (в том числе полностью работающих от аккумуляторов, топливных элементов и подключаемых гибридов) удвоились в 2021 году и достигли рекордного уровня в 6.6 миллиона. Сейчас на них приходится 5–6% продаж автомобилей, причем каждую неделю продается больше, чем за весь 2012 г. Глобальный прогноз развития электромобилей 2022 г. отчету.

Каждому новому электромобилю потребуется как минимум один мощный электродвигатель.

Прогнозы различаются, но ожидается, что ежегодные продажи электромобилей увеличатся до 65 миллионов электромобилей к 2030 году во всем мире, по данным исследовательской компании. IHS Markit. Годовой объем продаж автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, напротив, снизится с 68 млн единиц в 2021 году до 38 млн к 2030 году.

Очевидно, что каждому новому электромобилю понадобится как минимум один мощный электродвигатель. Почти все (около 85%) этих транспортных средств в настоящее время используют двигатели с постоянными магнитами (ПМ), поскольку они являются наиболее эффективными (рекорд 98.8%). Некоторые используют асинхронные двигатели и генераторы переменного тока (AC), но они на 4–8% менее эффективны, чем двигатели с постоянными магнитами, на 60% тяжелее и на 70% больше.

Тем не менее, эти двигатели и генераторы без постоянных магнитов идеально подходят, скажем, для грузовых автомобилей, кораблей и ветряных турбин. Их также легко утилизировать, так как в принципе они могут быть изготовлены из одного материала (скажем, алюминия), а затем переплавлены, когда подходят к концу их срок службы. Некоторые фирмы, такие как Tesla Motors, даже комбинируют PM и электромагнитные подходы во все более сложных конструкциях для оптимизации производительности и дальности действия. Однако ни один из достижений в области электромобилей был бы невозможен без огромных достижений в твердотельной силовой электронике.

Магнитное притяжение

Магниты прошли долгий путь с тех пор, как пастух из Магнезии на севере Греции заметил, что гвозди в его ботинке и металлический наконечник его посоха прочно прилипли к магнитному камню (по крайней мере, так гласит легенда). Эти «магниты» тысячи лет использовались в компасе для навигации, но только в начале 1800-х Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что электрический ток может влиять на стрелку компаса.

Первая демонстрация двигателя с вращательным движением произошла в 1821 году, когда Майкл Фарадей окунул свободно висящий провод в лужу ртути, на которую был помещен ПМ. Британский ученый разработал первый электродвигатель постоянного тока, способный вращать механизмы. Уильям Осетр в 1832 году. Американские изобретатели Томас и Эмили Дэвенпорт примерно в то же время построили первый практичный электродвигатель постоянного тока с батарейным питанием.

Эти двигатели использовались для запуска станков и печатного станка. Но поскольку мощность батареи была очень дорогой, двигатели не имели коммерческого успеха, и Давенпорты обанкротились. Другие изобретатели, которые пытались разработать двигатели постоянного тока с батарейным питанием, также столкнулись со стоимостью источника питания. В конце концов, в 1880-х годах внимание было обращено на двигатели переменного тока, в которых использовался тот факт, что переменный ток можно передавать на большие расстояния при высоком напряжении.

Первый «асинхронный двигатель» переменного тока был изобретен итальянским физиком Галилео Феррарисом в 1885 году, при этом электрический ток для привода двигателя был получен за счет электромагнитной индукции из магнитного поля обмотки статора. Прелесть этого устройства в том, что его можно сделать без каких-либо электрических соединений с ротором — коммерческая возможность, которой воспользовался Никола Тесла. В 1887 году он самостоятельно изобрел свой собственный асинхронный двигатель, а в следующем году запатентовал двигатель переменного тока.

Однако в течение многих лет ПМ имели поля не выше природного магнетита (около 0.005 Тл). Только после разработки альнико (сплавов, в основном состоящих из алюминия, никеля и кобальта) в 1930-х годах стали возможными практически полезные двигатели и генераторы постоянного тока с постоянными магнитами. В 1950-х годах появились недорогие ферритовые (керамические) магниты, а в 1960-х — самариевые и кобальтовые магниты, которые снова стали сильнее.

Но настоящий перелом произошел в 1980-х годах с изобретением неодимовых фотоэлектрических преобразователей, содержащих неодим, железо и бор. В наши дни неодимовые ФЭУ класса N42 имеют прочность около 1.3 Тл, хотя это не единственный ключевой показатель, когда речь идет о конструкции магнита и двигателя: рабочая температура также имеет жизненно важное значение.

Цены на некоторые редкоземельные материалы взлетели до небес, что вызвало огромное количество исследований новых составов магнитов.

Это связано с тем, что производительность PM падает по мере их прогрева, и как только они превышают «точку Кюри» (около 320 °C для неодимовых магнитов), они полностью размагничиваются, делая двигатель бесполезным. Еще одна важная особенность всех редкоземельных магнитов, включая неодимовые, кобальтовые и самариевые, заключается в том, что они обладают высокой коэрцитивной силой, что означает, что они не так легко размагничиваются во время работы. Чтобы сделать магниты с самой высокой коэрцитивной силой и лучшими температурными характеристиками, вам также потребуются небольшие количества других тяжелых редкоземельных элементов, таких как диспрозий, тербий и празеодим.

Вопрос поставки

Проблема в том, что редкоземельных элементов не хватает. Это не потому, что они по своей природе редки, их название просто происходит от их положения в периодической таблице. Согласно отчету за прошлый год от ООО «Магнетикс и материалы», к 2030 году миру потребуется на 55,000 40 тонн неодимовых магнитов больше, чем, вероятно, будет доступно, при этом 11% от общего спроса, как ожидается, будет приходиться на электромобили и XNUMX% на ветряные турбины.

В настоящее время Китай производит 90% всех неодимовых магнитов в мире, поэтому США, ЕС и другие страны пытаются развивать свои возможности в цепочке поставок, чтобы не оказаться в невыгодном положении. Цены на некоторые редкоземельные материалы взлетели до небес, что вызвало огромное количество исследований новых составов магнитов, переработки существующих магнитов и усовершенствованных асинхронных двигателей переменного тока.

Как бы вы ни смотрели на это, нам понадобится много магнитов, если мы хотим озеленить экономику.