Magneter, magneter, magneter: vi kommer att behöva massor av dem för en grön ekonomi

Jag var nyligen i Newcastle för att delta PEMD2022 – den 11:e internationella konferensen om kraftelektronik, maskiner och drivsystem. Det som slog mig var inte bara de enorma prestandaförbättringarna som har skett i elmotorer och generatorer utan hur långt vi fortfarande måste gå för att göra transporter helt kolfria.

Den globala försäljningen av elbilar (inklusive helt batteridrivna, bränslecells- och laddhybrider) fördubblades 2021 till en rekordnivå på 6.6 miljoner. De står nu för 5–6 % av fordonsförsäljningen, och det säljs mer varje vecka än under hela 2012, enligt Global Electric Vehicle Outlook 2022 rapport.

Varje nytt elfordon kommer att behöva minst en elmotor med hög effekt.

Prognoserna varierar, men den årliga försäljningen förväntas öka till 65 miljoner elfordon till 2030 globalt, enligt marknadsundersökningsföretaget IHS Markit. Den årliga försäljningen av fordon med förbränningsmotorer kommer däremot att minska från 68 miljoner enheter 2021 till 38 miljoner år 2030.

Vad som är uppenbart är att varje nytt elfordon kommer att behöva minst en elmotor med hög effekt. Nästan alla (cirka 85 %) av dessa fordon använder för närvarande motorer med permanentmagnet (PM) eftersom de är mest effektiva (rekordet är 98.8 %). Ett fåtal använder induktionsmotorer och generatorer med växelström (AC), men de är 4–8 % mindre effektiva än PM-motorer, upp till 60 % tyngre och upp till 70 % större.

Ändå är dessa icke-PM-motorer och generatorer perfekta för till exempel lastbilar, fartyg och vindkraftsgeneratorer. De är också lätta att återvinna då de i princip kan vara gjorda av ett material (säg aluminium) och sedan smälta ner när de tar slut. Vissa företag, som Tesla Motors, kombinerar till och med PM och elektromagnetiska metoder i allt mer komplexa konstruktioner för att optimera prestanda och räckvidd. Ingen av framstegen inom elfordon skulle dock vara möjlig utan de enorma framstegen inom solid-state kraftelektronik.

Magnetisk attraktion

Magneter har kommit långt sedan en herde i Magnesia i norra Grekland märkte spikarna i hans sko och metallspetsen på hans stav var fast fast vid en magnetisk sten (eller så säger legenden). Dessa "lodestones" användes i tusentals år i kompasser för att navigera men det var inte förrän i början av 1800-talet som Hans Christian Ørsted upptäckte att en elektrisk ström kan påverka en kompassnål.

Den första demonstrationen av en motor med roterande rörelse inträffade 1821 när Michael Faraday doppade en fritt hängande tråd i en kvicksilverpöl, på vilken en PM placerades. Den första likströmsmotorn som kunde vända maskiner utvecklades av brittisk forskare William Sturgeon 1832. De amerikanska uppfinnarna Thomas och Emily Davenport byggde den första praktiska batteridrivna likströmsmotorn ungefär samtidigt.

Dessa motorer användes för att driva verktygsmaskiner och en tryckpress. Men eftersom batterikraften var så dyr, var motorerna kommersiellt misslyckade, och Davenports hamnade i konkurs. Andra uppfinnare som försökte utveckla batteridrivna DC-motorer kämpade också med kostnaden för strömkällan. Så småningom, på 1880-talet, vändes uppmärksamheten mot växelströmsmotorer, som utnyttjade det faktum att växelström kan skickas över långa avstånd med hög spänning.

Den första AC "induktionsmotorn" uppfanns av den italienske fysikern Galileo Ferraris 1885, med den elektriska strömmen för att driva motorn som erhålls genom elektromagnetisk induktion från statorlindningens magnetfält. Det fina med den här enheten är att den kan göras utan några elektriska anslutningar till rotorn – en kommersiell möjlighet som Nikola Tesla utnyttjade. Efter att självständigt ha uppfunnit sin egen induktionsmotor 1887 tog han patent på AC-motorn året därpå.

Under många år hade PM dock fält som inte var högre än naturligt förekommande magnetit (cirka 0.005 T). Det var inte förrän utvecklingen av alnico (legeringar av mestadels aluminium, nickel och kobolt) på 1930-talet som praktiskt användbara PM DC-motorer och generatorer blev en möjlighet. På 1950-talet dök det upp billiga ferrit (keramiska) PM, följt på 1960-talet av samarium- och koboltmagneter, som var starkare igen.

Men den verkliga spelomvandlaren inträffade på 1980-talet med uppfinningen av neodym PM, som innehåller neodym, järn och bor. Nuförtiden har N42-klassen av neodym PM en styrka på cirka 1.3 T, även om det inte är det enda nyckelmåttet när det kommer till magnet- och motordesign: driftstemperaturen är också avgörande.

Priserna på vissa sällsynta jordartsmetaller har skjutit i höjden, vilket föranlett en enorm mängd forskning om nya magnetkompositioner.

Det beror på att prestandan hos PM:s sjunker när de värms upp och när de väl når över "Curie-punkten" (cirka 320 °C för neodymmagneter) avmagnetiseras de helt – vilket gör motorn oanvändbar. En annan viktig sak med alla sällsynta jordartsmagneter, inklusive neodym, kobolt och samarium, är att de har en hög koercitivitet, vilket innebär att de inte avmagnetiseras lätt när de är i drift. För att göra magneter med högsta koercitivitet och bästa temperaturprestanda behöver du också små mängder av andra tunga sällsynta jordartsmetaller som dysprosium, terbium och praseodym.

En fråga om utbud

Problemet är att sällsynta jordartsmetaller är en bristvara. Det är inte för att de är i sig sällsynta, deras namn kommer helt enkelt från deras plats i det periodiska systemet. Enligt en rapport förra året från Magnetics & Materials LLC2030 kommer världen att behöva 55,000 40 fler ton neodymmagneter än vad som sannolikt kommer att finnas tillgängligt, med 11 % av den totala efterfrågan som förväntas komma från elfordon och XNUMX % från vindkraftverk.

Kina tillverkar för närvarande 90 % av alla världens neodymmagneter, vilket är anledningen till att USA, EU och andra alla försöker utveckla sin kapacitet i leveranskedjan för att inte missgynnas. Priserna på vissa sällsynta jordartsmetaller har skjutit i höjden, vilket föranlett en enorm mängd forskning om nya magnetkompositioner, återvinning av befintliga magneter och avancerade AC-induktionsmotorer.

Hur man än ser på det kommer vi att behöva många magneter om vi ska göra ekonomin grön.