Permanente magneetmotoren moeten hier blijven, maar we kunnen ze minder duur maken.
oyota zegt dat het een nieuwe magneet heeft uitgevonden voor toepassingen met hoge energie, zoals elektromotoren, die een fractie van de hoeveelheid neodymium (een element met zeldzame aarde) van een standaardijzer, boor, neodymium (NdFeB) -magneet gebruiken.
Toyota in "productie-engineering" voor een solid-state batterij, zegt WSJ
Zeldzame aardmagneten worden gebruikt in veel hybride voertuigen, sommige volledig elektrische voertuigen en in andere toepassingen zoals windturbines en robotica.
Hoewel "zeldzaam" een beetje een verkeerde benaming is voor een materiaal zoals neodymium (hoge vraag heeft geleid tot relatief hoge productievolumes), merkt Toyota op dat "er zorgen zijn dat tekorten zich zullen ontwikkelen als geëlektrificeerde voertuigen, inclusief hybride en batterij elektrische voertuigen, worden steeds populairder in de toekomst. " Die bezorgdheid wordt nog verergerd door de concentratie van de mijnbouw op zeldzame aarde: hoewel er pogingen zijn gedaan om zeldzame aardmetalen te delven in de VS en andere delen van de wereld, doet zich in China een overwicht van zeldzame-aardeontginning voor. Dat land dreigde in 2011 met het exporteren van neodymium en andere zeldzame aarden te stoppen, waardoor de prijzen voor de metalen omhoog vlogen. Als China zeldzame-aardetoegang opnieuw als geopolitieke tool zou gebruiken, zou dit een aanzienlijke impact kunnen hebben op bedrijven zoals Toyota die afhankelijk zijn van zeldzame aarden om vlaggenschipproducten zoals de Prius te bouwen.
De nieuwe magneet die Toyota heeft ontwikkeld, maakt ook geen gebruik van terbium of dysprosium, die aan neodymium kan worden toegevoegd om de operabiliteit bij hoge temperaturen, boven 100 graden Celsius (212 graden Fahrenheit), te verbeteren. (Mijnbouwadviesbureau Roskill merkt op dat maar weinig automakers terbium in magneten meer gebruiken, hoewel dysprosium nog steeds vaak wordt toegevoegd aan magneten met neodymium.)
Wat doen deze magneten?
NdFeB-magneten kunnen in kleine volumes een sterk magnetisch veld produceren. In combinatie met dysprosium hebben NdFeB-magneten een hoge coërcitiviteit, dat wil zeggen: "het vermogen om eenmaal magnetisch te zijn tegen demagnetisatie", volgens een 2015-paper van Sustainable Materials and Technologies.
In een permanente magneet (PM) AC-automotor zijn NdFeB-magneten vaak ingebed in de rotor. Wanneer draadwikkelingen in de stator worden geëlektrificeerd, zorgt de magnetische aantrekking ervoor dat de rotor roteert. In andere ontwerpen kunnen de magneten worden ingebed in de stator, of de magneten kunnen worden ingericht om te werken met een DC-magnetisch veld. Daarentegen gebruiken inductiemotoren (die veel vaker voorkomen) geen magneten en vertrouwen op stroom die door de statorwikkelingen stroomt om een magnetisch veld te induceren, wat leidt tot de rotatie van de rotor.
Zoals je je misschien kunt voorstellen, zijn er verschillende compromissen tussen PM-motoren en magneetloze inductiemotoren. Roskill merkt op dat PM-gebaseerde systemen meestal lichter en kleiner zijn, omdat ze kunnen vertrouwen op de NdFeB-magneet in hen voor een constant magnetisch veld. De meeste hybride voertuigen (HEV's) maken gebruik van PM-systemen: met een hybride systeem heeft u zowel een accu als een interne verbrandingsmotor nodig, dus het verkleinen van de motor is van het grootste belang. (Componentenmaker Bosch heeft ook gewerkt aan bouwsystemen die zowel inductiemotoren als permanente-magneetmotoren in hetzelfde product gebruiken, bijvoorbeeld voor voor- en achterassen.)
Tesla vermeed op beroemde wijze magneten in zijn Model S en Model X voertuigen, op zoek naar een zwaar koper inductie systeem. Maar Model 3 maakt naar verluidt gebruik van een PM-systeem, waarschijnlijk omdat magneten ruimte en gewicht besparen (wat van invloed kan zijn op het batterijbereik), en dergelijke motoren hebben doorgaans een betere versnelling. De Chevy Bolt gebruikt ook een op neodymium gebaseerde magneet, zegt Roskill.
Wat zit er in deze nieuwe magneet?
In plaats van neodymium of dysprosium gebruikt de magneet minder dure zeldzame aardmetalen lanthanum en cerium. Dit neemt zeker niet weg dat veel van de problemen met neodymium: lanthaan en cerium worden nog steeds voornamelijk gedolven in China en, zoals met de meeste zeldzame aardmetalen, kunnen ze ecologisch destructief zijn om te produceren. Maar Reuters merkt op dat terwijl neodymium ongeveer $ 100 per kg kost en dysprosium ongeveer $ 400 per kg kost, lanthaan en cerium ongeveer $ 5 tot $ 7 per kg kosten. In het ideale geval kan een goedkopere magneet resulteren in goedkopere hybride en volledig elektrische voertuigen.
Vergroten / In plaats van magneten met een uniforme concentratie van neodymium concentreren de magneten van Toyota neodymium rond de randen van de magneet.
Toyota
Toyota gebruikte een aantal trucs om het gebruik van neodymium te verminderen. Het bedrijf zegt dat het eenvoudig vervangen van het neodymium in een magneet door lanthaan en cerium resulteert in een sub-par magneet met verminderde coërciviteit en verminderde hittebestendigheid, wat betekent dat de motorprestaties zullen lijden. In plaats daarvan stelde het bedrijf de magneet samen, zodat de meeste lanthaan- en ceriumkorrels zich binnen de magneet bevonden en de meeste neodymiumkorrels zich aan de buitenkant bevonden.
De automaker verminderde ook de korrelgrootte van de metalen in de magneet. Dit is al geruime tijd een onderzoekspad: in het 2015 Sustainable Materials and Technologies paper werd opgemerkt dat het vinden van een manier om de korrelgrootte van componenten van zeldzame-aardemagneten betrouwbaar te verminderen, de magnetische energie die in een magneet is opgeslagen, zou kunnen vergroten. Toyota was blijkbaar ook dat pad aan het volgen. De onderzoekers waren in staat om de korrelgrootte van de componenten van de magneten te verminderen tot een tiende van wat wordt gebruikt in standaardmagneten.
Met deze productietechnieken kan Toyota 20 tot 50 procent van het neodymium verliezen dat nodig is om een NdFeB-magneet te maken zonder de prestaties of coërciviteit te verliezen. Reuters merkt op dat elektrische voertuigmagneten waarschijnlijk alleen van het lage gedeelte daarvan zullen profiteren - maar 20% van het neodymium dat je nodig hebt in een voertuigmagneet is ook goed.
Voorlopig is het ontwerp voorlopig en Toyota zegt dat het meer onderzoek moet doen voordat deze geavanceerde magneten in de auto's worden geplaatst. Tegen het begin van de jaren 2020 hoopt het bedrijf de magneten te gebruiken in stuurbekrachtigingssystemen, en vervolgens hoopt het binnen het decennium te worden uitgebreid naar elektrische motoren.
Toyota is een pionier op de markt van hybride voertuigen geweest, maar het heeft meer aarzeling gehad om volledig elektrische voertuigen op de markt te brengen. Alle onderzoekers zijn echter op zoek naar manieren om elektrische voertuigen van top tot teen te maken. Het bedrijf kondigde in de zomer van 2017 aan dat het zich bezighield met "productie-engineering" voor een solid-state batterij, die theoretisch lichter, kleiner en een beter bereik van bedrijfstemperaturen zou hebben dan de batterijen die we vandaag zien op Teslas, Nissans en Chevys .