Magnetinės medžiagos, galinčios pakeisti retąsias žemes elektromobilių varikliuose – automobilių bendruomenė

Retųjų žemių magnetai yra esminė elektrinių transporto priemonių (EV) elektros variklių sudedamoji dalis. Remiantis IDTechEx, retųjų žemių nuolatinių magnetų varikliai nuo 2015 m. išlaikė didesnę nei 75% rinkos dalį dėl savo efektyvumo, galios tankio ir gamybos paprastumo.

Daugelis žinos apie su retųjų žemių medžiagomis susijusias problemas, tokias kaip kainų nepastovumas ir poveikis aplinkai. Kitas dalykas – Kinijos dominavimas perdirbtų medžiagų tiekime. Daug dėmesio skiriama akumuliatorių tiekimui ir gamybos lokalizavimui (ir teisingai), tačiau variklio komponentai taip pat yra labai svarbūs.

Vienas iš būdų sumažinti susirūpinimą yra priimti magnetines medžiagas, kuriose nėra retųjų žemių elementų. Remiantis naujausia IDTechEx tyrimo ataskaita „Elektrinių transporto priemonių elektros varikliai 2025–2035 m.: technologijos, medžiagos, rinkos ir prognozės“, Šiame straipsnyje bus aptartos kai kurios perspektyviausios alternatyvos ir jų kompromisai.

Pagrindinės magnetinių medžiagų metrikos

Stipresnis magnetas reiškia mažesnį, efektyvesnį elektros variklį. Pagrindinės bet kokios magnetinės medžiagos savybės:

• Maksimalus energijos produktas (kiek sukaupta magnetinės energijos)
• Magnetinis išliekamumas (magnetinis intensyvumas pašalinus įmagnetinimo lauką)
• Koerciškumas (gebėjimas atsispirti išmagnetinimui)

Idealiu atveju šios savybės turėtų būti kuo didesnės. Dažniausia retųjų žemių magnetų forma yra neodimio geležies boras (NdFeB). Jie pasižymi geru našumu visose trijose.

Alternatyvos

Nors yra daug kitų magnetinių medžiagų, nė viena negali konkuruoti su NdFeB pagal visus tris rodiklius.

• Aliuminio nikelio kobalto (AlNiCo) magnetai turi stiprų išliekamumą, bet prastą koerciškumą ir didžiausią energijos produktą. Kobaltas taip pat yra brangi ir šiek tiek prieštaringa medžiaga.
• Samariumo kobalto (SmCo) magnetai turi panašią remanenciją ir koerciciją, tačiau prastesni maksimalios energijos produktai. Vėlgi, juose yra kobalto, kuris nėra idealus.
• Mangano bismuto (MnBi) magnetai praranda didžiąją dalį savo koerciškumo gamybos metu, tačiau jų didžiausias energijos produktas vis tiek yra daug mažesnis nei NdFeB.
• Ferito magnetai, tokie kaip geležies nitridas (FeN), paprastai visais atžvilgiais nesiekia NdFeB, tačiau yra gausūs ir pigūs. Jie taip pat leidžia dirbti aukštesnėje temperatūroje, o tai reiškia, kad veikimo tarpas gali būti šiek tiek sumažintas, kai dirbate su karštesniu varikliu.

Ką reikia pakeisti variklyje?

Greitiausias pokytis yra magnetų dydis. Dėl prastesnių magnetinių savybių magnetai turi būti reikšmingesni. Įprastas retųjų žemių variklis naudos 1–2 kg magnetų. Ferito varikliui šis skaičius greičiausiai padidėtų dvigubai ar net trigubai. Tai kelia iššūkį rotoriaus struktūriniam vientisumui, nes magnetai sudarys daug didesnę rotoriaus dalį nei elektrinis plienas.

Net ir naudojant didesnius magnetus, variklio veikimą būtų labai sunku palyginti su retųjų žemių varikliais, todėl variklis būtų didesnis arba mažesnis. Retųjų žemių magnetai sudaro didelę variklio medžiagų sąnaudos dalį (iki 50%, remiantis IDTechEx tyrimais). Tam tikrais mažesnio našumo naudojimo atvejais tai gali būti nereikšminga, o sutaupytos medžiagos gali būti didesnės nei našumas.

Nors kiti magnetai gali veikti aukštesnėje temperatūroje be išmagnetinimo, tai gali būti sunkiai suprantama. Kylant temperatūrai, padidės ir laidininkų varža, o tai sumažins efektyvumą.

Žaidėjai, ieškantys alternatyvių elektromobilių variklių magnetų

Atsižvelgiant į galimą retųjų žemių elementų pašalinimo naudą, keli projektai ir įmonės ieško sprendimų; žemiau pateikiami keli pavyzdžiai.

• Niron – geležies nitrido magnetai, kurių lauko stiprumas artėja prie NdFeB. Ji turi investuotojų, įskaitant „Volvo“, „Stellantis“ ir GM.
• „Proterial“, anksčiau „Hitachi Metals“, paskelbė apie NMF15 (ferito magnetų), kurie užtikrina aukščiausią pasaulyje feritų našumą, naudojimą.
• PASSENGER (Pilot Action for Securing a Sustainable European Next Generation of Efficient RE-free Magnets) – ES projektas, skirtas sukurti patobulintus stroncio-ferito ir mangano-aliuminio-anglies lydinius, kad būtų galima gaminti nuolatinius magnetus Europoje.

Ar perdirbti magnetai gali būti geresnė alternatyva?

Atsižvelgiant į alternatyvių magnetinių medžiagų apribojimus, būtų galima apsvarstyti galimybę naudoti perdirbtus magnetus iš nebenaudojamų gaminių. Vienas iš pagrindinių iššūkių yra medžiagų tiekimas. Prireiks daug laiko, kol pakankamai elektromobilių pasieks savo eksploatacijos pabaigą, kad atsirastų reikiamų medžiagų naujiems elektromobiliams. Taip pat yra iššūkis išgauti šias medžiagas, nes dauguma elektros variklių nėra sukurti taip, kad juos būtų lengva išardyti.

Nepaisant to, tokių žaidėjų kaip „Polestar“, „Advanced Electric Machines“, „Nissan“ ir kitų vyriausybės projektų projektai siekia pagerinti retųjų žemių metalų perdirbimą. Ilgainiui perdirbtų retųjų žemių metalų kaina, efektyvumas ir žaliava galėtų būti tinkami, tačiau tai tikrai nėra trumpalaikis sprendimas dabartinei paklausai patenkinti.

Alternatyvių magnetinių medžiagų perspektyva

Nepaisant iššūkių, dėl neapibrėžtumo dėl medžiagų kainodaros ir bendro pasaulinio siekio užtikrinti tiekimo grandines vietoje, IDTechEx prognozuoja elektromobilių rinkos, kurioje naudojami magnetai be retųjų žemių, augimą. Jei bus įtraukti varikliai be magnetų (pvz., išoriškai sužadinami sinchroniniai varikliai, EESM), IDTechEx prognozuoja, kad iki 2035 m. beveik 30 % elektromobilių rinkos naudos variklius be retųjų žemių.