موتورهای مغناطیسی دائمی برای ماندن وجود دارد، اما ما می توانیم آنها را ارزان تر کنیم.
Oyota می گوید این یک آهنربا جدید برای کاربردهای انرژی بالا مانند موتورهای الکتریکی است که از یک مقدار از مقدار نئودیمیوم (یک عنصر خاکی نادر) یک آهنربا استاندارد آهن، بور، نئودیمیم (NdFeB) استفاده می کند.
WSJ می گوید تویوتا در "مهندسی تولید" برای یک باتری حالت جامد استفاده می کند
آهنرباهای نادر زمین در بسیاری از وسایل نقلیه هیبریدی، برخی وسایل نقلیه الکتریکی و دیگر برنامه های کاربردی مانند توربین های بادی و رباتیک استفاده می شود.
اگر چه "نادر" کمی نامطلوب برای یک ماده مانند نئودیمیم است (تقاضای بالا به حجم تولید نسبتا بالا منجر شده است)، تویوتا اشاره می کند که "نگرانی هایی وجود دارد که کمبود به عنوان وسایل نقلیه الکتریکی، از جمله وسایل نقلیه الکتریکی با ترکیبی و باتری، تبدیل خواهد شد در آینده به طور فزاینده ای محبوب خواهد شد. " این نگرانی از سوی غلظت معدن استخراج نادر خاک استخراج می شود: اگر چه تلاش برای تولید فلزات نادر خاک در ایالات متحده و سایر نقاط جهان ساخته شده است، اما در چین بیشترین میزان معادن زمین نادر وجود دارد. این کشور تهدید کرد که در سال 2011 صادرات نئودیمیوم و دیگر خاک های نادر را متوقف کند، که قیمت فلزات را افزایش می دهد. اگر چین مجددا به عنوان یک ابزار ژئوپلیتیک از دسترسی به منابع زمین نادر استفاده کند، می تواند به طور قابل توجهی به شرکت هایی مانند تویوتا که به زمین های نادر بستگی دارد، برای ساخت محصولات گل سرسبد مانند Prius، تاثیر بگذارد.
Magnet تویوتا جدید توسعه یافته نیز از هیچ تربیوم یا دیسپروسیوم استفاده نمی کند، که می تواند به نئودیمیم اضافه شود تا عملکرد آن را با گرمای زیاد، بالاتر از 100 درجه سانتیگراد (212 درجه فارنهایت) بهبود دهد. (در حقیقت، مشاوره استخراج معادن Roskill اشاره می کند که تعداد کمی از خودروسازان تربیوم را در آهنرباهای دیگر استفاده می کنند، هرچند دیسپروسیوم هنوز هم به نوردیمیم به آهنرباهای اضافه می شود.)
این آهن ربا چه کار می کند؟
آهنرباهای NdFeB قادر به ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی در حجم کم هستند. با توجه به یک مقاله 2015 از مواد پایدار و فن آوری، آهنرباهای NdFeB در هنگام زوج با دیسپروسیوم، دارای قابلیت همجواری بالا هستند، یعنی "توانایی مقاومت در برابر انبساط زمانی که مغناطیسی است".
در موتور مگنت دائمی (PM) موتور موتور AC، آهنرباهای NdFeB اغلب در روتور تعبیه شده اند. هنگامی که سیم پیچ سیم در استاتور با برق الکتریکی می شود، جذب مغناطیسی سبب چرخاندن روتور می شود. در طرح های دیگر، آهنرباهای می توانند در استاتور جاسازی شوند، یا آهنرباهای می توانند برای کار با میدان مغناطیسی DC کار کنند. در مقابل، موتورهای القایی (که بسیار رایج هستند) از آهنربا استفاده نمی کنند و به جریان جریان از طریق سیم پیچ های استاتور متکی هستند تا یک میدان مغناطیسی ایجاد کنند که منجر به چرخش روتور می شود.
همانطور که ممکن است تصور کنید، چندین اختلاف بین موتورهای PM و موتورهای القایی بدون آهن وجود دارد. Roskill متوجه می شود سیستم های مبتنی بر PM مبتنی بر سبک تر و کوچکتر هستند، زیرا می توانند بر روی آهنربای NdFeB درون آنها برای یک میدان مغناطیسی ثابت متکی باشند. بیشتر وسایل نقلیه هیبریدی (HEVs) از سیستم PM استفاده می کنند: با یک سیستم ترکیبی، شما نیاز به یک باتری و یک موتور احتراق داخلی دارید، بنابراین کاهش اندازه موتور بسیار مهم است. (قطعات سازنده بوش نیز برای ساخت سیستم هایی کار می کنند که از موتورهای القایی و موتورهای دائمی آهنربا در محصولات مشابه برای محورهای جلو و عقب استفاده می کنند.)
تسلا معروف از آهن ربا در مدل S و مدل X استفاده کرده و از سیستم القایی مس سنگین تر استفاده می کند. اما طبق گزارش، مدل 3 از یک سیستم PM استفاده می کند، به خصوص به دلیل اینکه آهنرباها صرفه جویی در فضا و وزن (که می تواند در محدوده باتری تاثیر گذار باشد)، و این موتورها دارای شتاب بهتر هستند. Roskill می گوید: پیچ و مهره نیز از یک آهنربای مبتنی بر نئودیمیم استفاده می کند.
در این آهنربا چیست؟
به جای نئودیمیم یا دیسپروزیم، آهنربا از لانتانیوم و سریم کمتر از فلزات نادر خاکی استفاده می کند. بدیهی است، این امر از بسیاری از مسائل مربوط به نئودیمیم خلاص نخواهد شد: لانتانیم و سریم هنوز در چین عمدتا استخراج می شوند و همانطور که در اکثر خاک های نادر نیز می توانند از نظر زیست محیطی مخرب باشند. اما رویترز خاطرنشان می کند که در حالی که قیمت نئودیمیم حدود 100 دلار به ازای هر کیلوگرم است و هزینه دیسپروسیوم حدود 400 دلار در هر کیلوگرم است، لانتانیم و سریم حدود 5 تا 7 دلار در هر کیلوگرم هزینه می کنند. در حالت ایده آل، یک آهنربا ارزان تر می تواند در خودروهای هیبریدی ارزان قیمت و همه وسایل الکتریکی منجر شود.
افزایش / به جای آهن ربا با یک غلظت یکنواخت از نئودیمیم، آهنرباهای تویوتا نودیمیوم را در اطراف لبه های آهن قرار می دهد.
تویوتا
تویوتا از چند ترفند برای کاهش مصرف نئودیمیم استفاده کرد. این شرکت می گوید که به سادگی جایگزین نئودیمیوم در یک آهنربا با لانتانیم و سریم موجب افزایش مغناطیسی و کاهش مقاومت کویل می شود و به همین دلیل عملکرد موتور رنج می برد. در عوض، این شرکت آهنربایی را تشکیل می داد به طوری که بیشتر دانه های لانتانیم و سریم در داخل مغناطیسی قرار داشت و بیشتر دانه های نئودیمیم در خارج بودند.
خودروساز همچنین اندازه دانه های فلزات را در آهنربا کاهش داد. این مقاله برای تحقیقات طولانی مدت بوده است: در مقاله "Materials and Technologies of Sustainable Materials 2015" اشاره شده است که پیدا کردن راه مطمئن برای کاهش اندازه دانه های آهنرباهای نادر خاک می تواند انرژی مغناطیسی ذخیره شده در آهنربا را افزایش دهد. ظاهرا تویوتا نیز این مسیر را پیگیری کرد. محققان آن قادر به کاهش اندازه دانه اجزای مغناطیسی خود را به یک دهم آنچه در آهن ربا استاندارد استفاده می شود.
این تکنیک های تولید اجازه می دهد که تویوتا 20 تا 50 درصد از نئودیمیم را برای ساخت یک آهنربا NdFeB بدون از دست دادن عملکرد یا کوئریتیوتیک از دست بدهد. رویترز یادآور می شود که آهنرباهای الکتریکی خودرو احتمالا قادر به استفاده از پایین ترین آن هستند - اما از بین بردن 20 درصد از نئودیمیوم که در یک آهنربای خودرو نیاز دارید نیز خوب است.
در حال حاضر، طراحی اولیه است، و تویوتا می گوید قبل از اضافه کردن این آهنرباهای پیشرفته به اتومبیل های خود، تحقیقات بیشتری را انجام می دهد. در اوایل سال 2020، این شرکت امیدوار است که از آهن ربا در سیستم های کنترل قدرت استفاده کند، و پس از آن امیدوار است که در طول دهه به استفاده وسیع تر در موتورهای الکتریکی حرکت کند.
تویوتا پیشگام در بازار وسایل نقلیه هیبریدی بوده است، اما خودروهای الکتریکی را به بازار عرضه کرده است. با وجود همه اینها، محققانش به دنبال راهی برای ساخت وسایل الکتریکی پیشرفته هستند. در تابستان 2017 شرکت اعلام کرد که در مهندسی تولید برای یک باتری حالت جامد قرار دارد که از لحاظ تئوری سبک تر و کوچکتر است و دمای کاری بیشتری نسبت به باتری هایی که امروزه در Teslas، Nissans و Chevys دیده می شود .