Двигатели постоянного магнита здесь, чтобы остаться, но мы можем сделать их менее дорогостоящими.
oyota говорит, что он изобрел новый магнит для высокоэнергетических применений, таких как электродвигатели, в которых используется доля количества неодима (редкоземельного элемента) стандартного магнита железа, бора, неодима (NdFeB).
Toyota в «производстве» для твердотельной батареи, говорит WSJ
Редкие магниты используются во многих гибридных транспортных средствах, некоторых полностью электрических транспортных средствах и в других применениях, таких как ветряные турбины и робототехника.
Хотя «редкий» является немного неправильным для такого материала, как неодим (высокий спрос привел к относительно высоким объемам производства), Toyota отмечает, что «есть опасения, что дефицит будет развиваться, поскольку электрифицированные транспортные средства, включая гибридные и аккумуляторные электромобили, станут все более популярным в будущем ». Эта проблема усугубляется концентрацией редкоземельной добычи: хотя были предприняты попытки добывать редкоземельные металлы в США и других частях мира, преобладание редкоземельной добычи происходит в Китае. Эта страна пригрозила прекратить экспорт неодима и других редкоземельных элементов в 2011 году, что привело к росту цен на металлы. Если Китай снова будет использовать доступ к редкоземельным элементам в качестве геополитического инструмента, он может значительно повлиять на такие компании, как Toyota, которые зависят от редких земель, для создания флагманских продуктов, таких как Prius.
В новом магните Toyota также не используется тербий или диспрозий, который можно добавить к неодиму, чтобы улучшить его работоспособность при высокой температуре, выше 100 градусов по Цельсию (212 градусов по Фаренгейту). (Фактически, консалтинг по горнодобывающей отрасли Roskill отмечает, что несколько автопроизводителей больше используют тербиум в магнитах, хотя диспрозий все еще обычно добавляют в магниты с неодимом.)
Что делают эти магниты?
Магниты NdFeB способны создавать сильное магнитное поле в небольших объемах. В сочетании с диспрозием магниты NdFeB обладают высокой коэрцитивностью, то есть «способностью противостоять размагничиванию после намагничивания», согласно документу «Устойчивые материалы и технологии» от 2015 года.
В двигателе с постоянным магнитом (PM) переменного тока магниты NdFeB часто встроены в ротор. Когда проволочные обмотки в статоре электризуются, магнитное притяжение заставляет ротор вращаться. В других конструкциях магниты могут быть встроены в статор, или магниты могут быть расположены для работы с магнитным полем постоянного тока. Напротив, асинхронные двигатели (которые гораздо более распространены) не используют магниты и полагаются на ток, протекающий через обмотки статора, чтобы вызвать магнитное поле, что приводит к вращению ротора.
Как вы можете себе представить, существует несколько компромиссов между двигателями ПМ и асинхронными двигателями без магнитов. Роскилл отмечает, что системы на основе ПМ, как правило, легче и меньше, поскольку они могут полагаться на магнит NdFeB внутри них для постоянного магнитного поля. Большинство гибридных транспортных средств (HEV) используют системы ПМ: с гибридной системой вам нужны как аккумулятор, так и двигатель внутреннего сгорания, поэтому уменьшение размера двигателя имеет первостепенное значение. (Производитель компонентов Bosch также работал над строительными системами, которые используют как асинхронные двигатели, так и двигатели с постоянными магнитами в одном и том же изделии, например, для передних и задних осей).
Тесла лихо отбросил магниты в своих автомобилях модели S и Model X, выбрав более тяжелую систему индукции меди. Но, как сообщается, модель 3 использует систему ПМ, вероятно, потому что магниты экономят пространство и вес (что может повлиять на диапазон батарей), и такие двигатели имеют тенденцию к лучшему ускорению. Роскилл говорит, что в Chevy Bolt также используется магнит на основе неодима.
Что нового в этом магните?
Вместо неодима или диспрозия магнит использует менее дорогостоящие редкоземельные металлы лантана и церия. Конечно, это не избавляет от многих проблем с неодимом: лантан и церий по-прежнему преимущественно добываются в Китае, и, как и большинство редкоземельных металлов, они могут быть экологически разрушительными для производства. Но Reuters отмечает, что в то время как неодим стоит около 100 долларов за кг, а диспрозий стоит около 400 долларов за кг, лантан и церий стоят от 5 до 7 долларов за кг. В идеале более дешевый магнит может привести к более дешевым гибридным и полностью электрическим транспортным средствам.
Увеличить / Вместо магнитов с равномерной концентрацией неодима магниты Тойоты концентрируют неодим вокруг краев магнита.
Тойота
Toyota использовала несколько трюков, чтобы уменьшить использование неодима. Компания говорит, что просто замена неодима в магните лантаном и церием приводит к полупараметровому магниту с уменьшенной коэрцитивностью и пониженной термостойкостью, что скажется на производительности двигателя. Вместо этого компания создала магнит так, чтобы большая часть зерен лантана и церия была внутренней к магниту, и большая часть неодимовых зерен находилась снаружи.
Автопроизводитель также уменьшил размер зерна металлов в магните. В течение некоторого времени это было одним из направлений исследований: в документе «Устойчивые материалы и технологии» в 2015 году было отмечено, что поиск способа надежного уменьшения размера зерен компонентов редкоземельных магнитов может увеличить магнитную энергию, хранящуюся в магните. Тойота, очевидно, тоже преследовала этот путь. Его исследователи смогли уменьшить размер зерен своих компонентов магнитов до одной десятой того, что используется в стандартных магнитах.
Эти технологии производства позволяют Toyota потерять 20-50 процентов неодима, необходимого для изготовления магнита NdFeB, не теряя производительности или коэрцитивности. Reuters отмечает, что электрические магниты на транспортных средствах, скорее всего, смогут использовать только нижний конец этого, но также исключить 20 процентов неодима, который вам нужен в магните на транспортном средстве.
На данный момент дизайн является предварительным, и Toyota говорит, что ему нужно провести больше исследований, прежде чем добавлять эти продвинутые магниты в свои автомобили. К началу 2020-х годов компания надеется использовать магниты в системах рулевого управления с усилителем, а затем надеется перейти к более широкому использованию в электромобилях в течение десятилетия.
Toyota была пионером на рынке гибридных автомобилей, но она была более неуверенной в продвижении на рынок полностью электрических автомобилей. По общему мнению, его исследователи искали способы сделать электромобили передовыми. Компания летом 2017 года объявила, что именно в «производстве» для твердотельной батареи, которая теоретически была бы легче, меньше и имела бы более широкий диапазон рабочих температур, чем батареи, которые мы видим сегодня на Teslas, Nissans и Chevys ,