Джеймс Маккензі розуміє, що нам знадобиться багато магнітів, якщо ми хочемо зробити економіку зеленою
Нещодавно я був у Ньюкаслі, щоб відвідати PEMD2022 – 11 міжнародна конференція з силової електроніки, машин і приводів. Мене вразило не тільки величезне підвищення продуктивності електродвигунів і генераторів, але й те, як далеко нам ще потрібно пройти, щоб зробити транспорт повністю безвуглецевим.
У 2021 році світові продажі електромобілів (включно з гібридами на акумуляторних батареях, на паливних елементах і плагінами) подвоїлися до історичного максимуму в 6.6 мільйона. Зараз на них припадає 5–6% продажів автомобілів, причому щотижня продається більше, ніж за весь 2012 рік, згідно з даними Global Electric Vehicle Outlook 2022 звітом.
Для кожного нового електромобіля знадобиться принаймні один потужний електродвигун.
Прогнози відрізняються, але згідно з дослідженнями ринку, до 65 року річний обсяг продажів у всьому світі зросте до 2030 мільйонів електромобілів. IHS Markit. Щорічні продажі автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння, навпаки, знизяться з 68 мільйонів одиниць у 2021 році до 38 мільйонів до 2030 року.
Очевидно, що кожному новому електромобілю знадобиться принаймні один потужний електродвигун. Майже всі (близько 85%) цих автомобілів наразі використовують двигуни з постійними магнітами (ПМ), оскільки вони є найефективнішими (рекорд становить 98.8%). У деяких використовуються асинхронні двигуни та генератори змінного струму (AC), але вони на 4–8% менш ефективні, ніж двигуни з магнітними посередниками, на 60% важчі та на 70% більші.
Чи може цей революційний літак перетворити повітряні подорожі на зелені?
Тим не менш, ці двигуни та генератори без ПМ ідеально підходять, скажімо, для вантажівок, кораблів і вітрових турбін. Їх також легко переробити, оскільки вони, в принципі, можуть бути виготовлені з одного матеріалу (скажімо, алюмінію), а потім розплавлені, коли закінчиться термін служби. Деякі фірми, наприклад Tesla Motors, навіть поєднують PM та електромагнітні підходи у все більш складних конструкціях для оптимізації продуктивності та запасу ходу. Однак жоден із досягнень електромобілів не був би можливим без величезних досягнень твердотільної силової електроніки.
Магнітне притягнення
Магніти пройшли довгий шлях відтоді, як пастух у Магнезії на півночі Греції помітив, що цвяхи у його черевику та металевий наконечник палиці міцно прилипли до магнітного каменю (принаймні так свідчить легенда). Тисячі років ці «железні камені» використовувалися в компасах для навігації, але лише на початку 1800-х років Ганс Крістіан Ерстед виявив, що електричний струм може впливати на стрілку компаса.
Перша демонстрація двигуна з обертовим рухом відбулася в 1821 році, коли Майкл Фарадей занурив дріт, що вільно висить, у басейн ртуті, на який помістили PM. Перший електродвигун постійного струму, який міг обертати механізми, був розроблений британським ученим Вільям Стерджен у 1832 році. Американські винахідники Томас і Емілі Девенпорти створили перший практичний електродвигун постійного струму з батарейним живленням приблизно в той самий час.
Ці двигуни використовувалися для роботи верстатів і друкарського верстата. Але оскільки батарея була дуже дорогою, двигуни були комерційно невдалими, і Давенпорти збанкрутували. Інші винахідники, які намагалися розробити двигуни постійного струму з батарейним живленням, також стикалися з вартістю джерела живлення. Зрештою, у 1880-х роках увагу звернули на двигуни змінного струму, які скористалися тим фактом, що змінний струм можна передавати на великі відстані під високою напругою.
Перший «індукційний двигун» змінного струму винайшов італійський фізик Галілео Ферраріс у 1885 році, при цьому електричний струм для приводу двигуна отримували за допомогою електромагнітної індукції від магнітного поля обмотки статора. Принадність цього пристрою полягає в тому, що його можна зробити без будь-яких електричних з’єднань з ротором – комерційна можливість, якою скористався Нікола Тесла. Самостійно винайшовши власний асинхронний двигун у 1887 році, наступного року він запатентував двигун змінного струму.
Проте протягом багатьох років ПЧ мали поля не вище, ніж природний магнетит (близько 0.005 Т). Лише після розробки alnico (сплавів переважно алюмінію, нікелю та кобальту) у 1930-х роках стало можливим використання практично корисних двигунів постійного струму та генераторів з магнітними полями. У 1950-х роках з’явилися недорогі феритові (керамічні) ФМ, а в 1960-х – самарієві та кобальтові магніти, які знову стали сильнішими.
Але справжня зміна сталася у 1980-х роках з винаходом неодимових PM, які містять неодим, залізо та бор. У наші дні неодимові PM класу N42 мають міцність близько 1.3 Т, хоча це не єдиний ключовий показник, коли йдеться про конструкцію магнітів і двигунів: робоча температура також є життєво важливою.
Ціни на деякі рідкоземельні матеріали різко зросли, що спонукало до величезної кількості досліджень нових магнітних композицій.
Це тому, що продуктивність PM падає, коли вони нагріваються, і коли вони перевищують «точку Кюрі» (приблизно 320 °C для неодимових магнітів), вони повністю розмагнічуються, роблячи двигун марним. Ще одна важлива особливість усіх рідкоземельних магнітів, у тому числі неодиму, кобальту та самарію, полягає в тому, що вони мають високу коерцитивну силу, тобто вони нелегко розмагнічуються під час роботи. Щоб зробити магніти з найвищою коерцитивністю та найкращими температурними характеристиками, вам також потрібні невеликі кількості інших важких рідкоземельних елементів, таких як диспрозій, тербій і празеодім.
Питання постачання
Проблема в тому, що рідкоземельні елементи є дефіцитом. Це не тому, що вони за своєю суттю рідкісні, їх назва просто походить від їх розташування в періодичній таблиці. Згідно звіту минулого року від Magnetics & Materials LLC, до 2030 року світові знадобиться на 55,000 40 тонн неодимових магнітів більше, ніж, ймовірно, буде доступно, причому 11% загального попиту, як очікується, припадатиме на електромобілі та XNUMX% на вітрові турбіни.
Наразі Китай виробляє 90% усіх неодимових магнітів у світі, тому США, ЄС та інші намагаються розвивати свої можливості в ланцюжку поставок, щоб не опинитися в невигідному становищі. Ціни на деякі рідкоземельні матеріали різко зросли, що спонукало до величезної кількості досліджень нових магнітних композицій, переробки існуючих магнітів і вдосконалених асинхронних двигунів змінного струму.
З якого б боку ви не дивилися, нам знадобиться багато магнітів, якщо ми хочемо озеленити економіку.
