Permanenta magnetmotorer är här för att stanna, men vi kan göra dem billigare.
oyota säger att det har uppfunnit en ny magnet för högteknologiska applikationer som elmotorer som använder en bråkdel av mängden neodym (ett sällsynt jordelement) av en standard järn, bor, neodymium (NdFeB) magnet.
Toyota i "produktionsteknik" för ett solid state-batteri, säger WSJ
Rare-earth magneter används i många hybridfordon, några allelektriska fordon och i andra applikationer som vindturbiner och robotteknik.
Även om "sällsynt" är lite misstänkt för ett material som neodym (hög efterfrågan har lett till relativt höga produktionsvolymer) noterar Toyota att "det finns bekymmer att brister kommer att utvecklas när elektrifierade fordon, inklusive hybrid- och batteridrivna fordon, blir alltmer populär i framtiden. " Denna oro är förhöjd av koncentrationen av sällsynt jordgruvbrytning. Även om försök har gjorts till mina sällsynta jordartsmetaller i USA och andra delar av världen, förekommer en övervägande av sällsynt jordgruv i Kina. Det landet hotade att sluta exportera neodym och andra sällsynta jordartsmetaller 2011, vilket sände priserna på metallerna stigande. Om Kina skulle använda sällsynt jordåtkomst som ett geopolitiskt verktyg igen, skulle det kunna påverka företag som Toyota som är beroende av sällsynta jordartsmetaller för att bygga flaggskeppsprodukter som Prius.
Den nya magneten Toyota utvecklade använder inte heller terbium eller dysprosium, vilket kan sättas till neodym för att förbättra sin drift vid hög värme, över 100 grader Celsius (212 grader Fahrenheit). (I själva verket gruvkonsultation konstaterar Roskill att några automakers använder terbium i magneter längre, även om dysprosium fortfarande vanligen läggs till magneter med neodym.)
Vad gör dessa magneter?
NdFeB magneter kan producera ett starkt magnetfält i små volymer. När paret med dysprosium har NdFeB-magneter hög koercivitet, det vill säga "förmågan att motstå demagnetisering en gång magnetiserad", enligt ett dokument från 2015 från Sustainable Materials and Technologies.
I en Permanent Magnet (PM) AC bilmotor, är NdFeB magneter ofta inbäddade i rotorn. När trådlindningar i statorn elektrifieras, får den magnetiska attraktionen rotorn att rotera. I andra utföranden kan magneterna vara inbäddade i statorn, eller magneterna kan ordnas för att fungera med ett magnetiskt magnetfält. Däremot använder induktionsmotorer (som är mycket vanligare) inga magneter och förlita sig på ström som strömmar genom statorlindningarna för att inducera ett magnetfält, vilket leder till rotation av rotorn.
Som du kan tänka dig finns det flera avvägningar mellan PM-motorer och magnetfria induktionsmotorer. Roskill noteringar PM-baserade system tenderar att vara lättare och mindre eftersom de kan förlita sig på NdFeB-magneten inuti dem för ett konstant magnetfält. De flesta hybridfordon använder PM-system: med ett hybridsystem behöver du både ett batteri och en förbränningsmotor, vilket gör att motorns storlek är av största vikt. (Komponentermaker Bosch har också arbetat med att bygga system som använder både induktionsmotorer och permanentmagnetmotorer i samma produkt, till exempel för fram och bakaxlar.)
Tesla avskedade magnetiskt magneter i sin modell S och modell X-fordon och valde ett tyngre kopparinduktionssystem. Men modell 3 brukar använda ett PM-system, troligen eftersom magneterna sparar utrymme och vikt (vilket kan påverka batteriläget), och sådana motorer tenderar att få bättre acceleration. Chevy Bolt använder också en neodymbaserad magnet, säger Roskill.
Vad finns i den här nya magneten?
Istället för neodym eller dysprosium använder sig magneten av mindre dyrbara sällsynta jordartsmetaller lantan och cerium. Visst blir det inte av med många av problemen med neodym: lantan och cerium är fortfarande övervägande minskade i Kina och som med de flesta sällsynta jordartsmetaller kan de vara miljöförstörande att producera. Men Reuters konstaterar att medan neodym kostar cirka $ 100 per kg och dysprosium kostar ungefär $ 400 per kg kostar lantan och cerium cirka $ 5 till $ 7 per kg. Idealt sett kan en billigare magnet resultera i billigare hybrid- och allelektriska fordon.
Förstora / Istället för magneter med en likformig neodymkoncentration, koncentrerar Toyotas magneter neodymium runt kanterna av magneten.
Toyota
Toyota använde några knep för att minska sin användning av neodym. Företaget säger att helt enkelt att ersätta neodym i en magnet med lantan och cerium resulterar i en subparamagnet med reducerad koercivitet och minskad värmebeständighet, vilket innebär att motorens prestanda kommer att drabbas. I stället komponerade företaget magneten så att de flesta av lantan- och ceriumkornen var inre till magneten, och de flesta neodymkornen var på utsidan.
Automakern reducerade också metallens kornstorlek i magneten. Detta har varit en aveny för forskning under en tid: i pappersböckerna för 2015 hållbar material och teknik noteras att att hitta ett sätt att på ett tillförlitligt sätt minska kornstorleken hos komponenter i sällsynta jordartsmagneter kan öka magnetisk energi lagrad i en magnet. Toyota fortsatte uppenbarligen också den vägen. Dess forskare kunde reducera kornstorleken hos magneterna till en tiondel av vad som används i standardmagneter.
Dessa tillverkningstekniker tillåter Toyota att förlora 20-50 procent av det neodym som krävs för att göra en NdFeB-magnet utan att förlora prestanda eller koercivitet. Reuters noterar att elektromagnetiska magneter sannolikt bara kommer att kunna utnyttja den låga änden av det-men att eliminera 20 procent av det neodym du behöver i en bilmagnet är också bra.
För närvarande är designen preliminär, och Toyota säger att den behöver göra mer forskning innan man lägger till dessa avancerade magneter i sina bilar. I början av 2020-talet hoppas företaget använda magneterna i servostyrning, och sedan hoppas det kunna gå vidare till elmotorer inom tio år.
Toyota har varit en pionjär inom hybridfordonsmarknaden, men det har varit mer tveksamt att driva alla elbilar till marknaden. Men med alla konton har forskarna letat efter sätt att göra elektriska fordon spetsiga. Företaget tillkännagav sommaren 2017 att det var i "produktionsteknik" för ett solid state-batteri, vilket teoretiskt skulle vara lättare, mindre och ha ett bättre temperaturområde än de batterier vi ser idag på Teslas, Nissans och Chevys .