Els motors d'imants permanents estan aquí per quedar-se, però els podem fer menys costosos.
Oyota diu que ha inventat un nou imant per a aplicacions d'alta energia com els motors elèctrics que utilitzen una fracció de la quantitat de neodimi (un element de la terra rara) d'un imant estàndard de ferro, bor, neodimi (NdFeB).
Toyota en "enginyeria de producció" per a una bateria de estat sòlid, diu WSJ
Els imants de terres rares s'utilitzen en molts vehicles híbrids, alguns vehicles tot-elèctrics, i en altres aplicacions com aerogeneradors i robòtica.
Tot i que "poc comú" és una mica inadequat per a un material com el neodimi (la gran demanda ha provocat volums de producció relativament alts), Toyota assenyala que "hi ha preocupacions que es produirà una escassetat com a vehicles electrificats, inclosos vehicles elèctrics híbrids i de bateries, cada vegada més popular en el futur ". Aquesta preocupació es veu agreujada per la concentració de la mineria de terres rares: tot i que s'han fet intents per a la presència de metalls de terres rares als Estats Units i altres parts del món, la preponderància de la mineria de terres rares es produeix a la Xina. Aquest país va amenaçar amb deixar d'exportar neodimi i altres terres rares el 2011, que va fer que els preus dels metalls augmentessin. Si la Xina tornés a utilitzar l'accés a terres rares com una eina geopolítica, podria impactar significativament a empreses com Toyota que depenen de terres rares per crear productes insígnia com el Prius.
El nou imant Toyota desenvolupat tampoc utilitza terbium ni disprosio, que es pot afegir al neodimi per millorar la seva operativitat a foc alt, per sobre de 100 graus Celsius (212 graus centígrads). (De fet, la consultora minera Roskill assenyala que pocs fabricants d'automòbils usen terbium en imants més, encara que el diprosi s'agrega a imants amb neodimi.)
Què fan aquests imants?
Els imants NdFeB són capaços de produir un camp magnètic fort en petits volums. Quan s'uneixen amb disprosio, els imants de NdFeB tenen una elevada coercivitat, és a dir, "la capacitat de resistir la desmagnetització una vegada magnetitzada", d'acord amb un document del 2015 de Materials i Tecnologies Sostenibles.
En un motor d'automòbil AC de l' imant permanent (PM), els imants NdFeB solen estar incrustats en el rotor. Quan els cables de cable de l'estator estan electrificats, l'atracció magnètica fa que el rotor gire. En altres dissenys, els imants es poden incrustar a l'estator o els imants es poden disposar per treballar amb un camp magnètic de CC. Per contra, els motors d'inducció (que són molt més comuns) no utilitzen imants i confien en el corrent que flueix a través dels bobinatges de l'estator per induir un camp magnètic, que condueix a la rotació del rotor.
Com es podria imaginar, hi ha diverses compensacions entre motors PM i motors d'inducció sense imants. Els sistemes de base de Roskill tendeixen a ser més lleugers i més petits, ja que poden confiar en l'imant NdFeB dins d'ells per obtenir un camp magnètic constant. La majoria dels vehicles híbrids (HEV) utilitzen sistemes PM: amb un sistema híbrid, necessita una bateria i un motor de combustió interna, de manera que la reducció de la mida del motor és primordial. (Components-fabricant Bosch també ha treballat en sistemes de construcció que utilitzen tant motors d'inducció com motors d'imant permanents en el mateix producte, per exemple, per als eixos frontal i posterior, per exemple).
Tesla va triomfar evidentment els imants dels seus vehicles Model S i Model X, optant per un sistema d'inducció de coure més pesat. No obstant això, el Model 3 utilitza un sistema PM, probablement perquè els imants estalvien espai i pes (que poden afectar el rang de la bateria), i aquests motors tendeixen a tenir una millor acceleració. El Chevy Bolt també utilitza un imant a base de neodimi, diu Roskill.
Què hi ha en aquest nou imant?
En comptes de neodimi o disprosio, l'imant utilitza lithanum i cerium de metalls rars amb menys cost. Certament, això no elimina molts dels problemes amb el neodimi: el lantano i el ceri continuen essent predominantment minats a la Xina i, com passa amb la majoria de les terres rares, poden ser destructius per produir medi ambientalment. Però Reuters assenyala que mentre el neodimi costa al voltant de 100 dòlars per kg i el despropòsit costa uns 400 dòlars per kg, el lantà i el ceri costen entre 5 i 7 dòlars per kg. L'ideal seria que un imant més barat pogués resultar en vehicles híbrids i totalment elèctrics més econòmics.
Ampliar / En lloc d'imants amb una concentració uniforme de neodimi, els imants de Toyota concentren el neodimi a les vores de l'imant.
Toyota
Toyota va utilitzar alguns trucs per reduir el seu ús de neodimi. L'empresa diu que simplement reemplaçar el neodimi en un imant amb lantà i el ceri resulta en un imant sub-par amb una coercivitat reduïda i una resistència a la calor reduïda, el que suposarà el rendiment del motor. En comptes d'això, l'empresa va compondre l'imant de manera que la major part dels grans de lantà i cerium eren interns en l'imant, i la major part dels grans de neodimi eren a l'exterior.
L'automotriu també va reduir la mida del gra dels metalls a l'imant. Aquesta ha estat una via d'investigació des de fa temps: el document de Materials i Tecnologies Sostenibles de 2015 va assenyalar que trobar una manera de reduir de manera fiable la mida del gra dels components dels imants de terres rares podria augmentar l'energia magnètica emmagatzemada en un imant. Pel que sembla, Toyota també buscava aquest camí. Els seus investigadors van ser capaços de reduir la mida del gra dels components dels seus imants a una desena part del que s'utilitza en els imants estàndard.
Aquestes tècniques de fabricació permeten a Toyota perdre entre el 20 i el 50 per cent del neodimi necessari per fabricar un imant de NdFeB sense perdre rendiment ni coercivitat. Reuters assenyala que probablement els imants del vehicle elèctric només podran aprofitar-se del final més baix, però eliminar el 20% del neodimi que necessita en un imant del vehicle és bo.
De moment, el disseny és preliminar, i Toyota diu que necessita realitzar més investigacions abans d'afegir aquests imants avançats als seus cotxes. A principis de 2020, la companyia espera utilitzar els imants en els sistemes de direcció d'energia, i després espera passar a un ús més ampli dels motors de vehicles elèctrics durant la dècada.
Toyota ha estat pionera en el mercat dels vehicles híbrids, però ha estat més dubtosa a l'hora d'impulsar el mercat dels vehicles elèctrics. Tanmateix, tots els seus investigadors han estat buscant maneres de fer que els vehicles elèctrics d'avantguarda. La companyia va anunciar a l'estiu de 2017 que estava en "enginyeria de producció" per a una bateria d'estat sòlid, que en teoria seria més lleugera, més petita i tindria un major rang de temperatures de funcionament que les bateries que veiem avui en Teslas, Nissans i Chevys .
