Mar 14, 2018

丰田的新型磁铁将不依赖于一些关键的稀有-地球矿物

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永磁电机将继续存在,但我们可以降低它们的成本。

oyota 表示,它已经发明了一种适用于电动机等高能应用的新型磁体,其所用的钕(一种稀土元素)数量仅为标准铁、硼、钕 (NdFeB) 磁体的一小部分。-

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《华尔街日报》称,丰田正在进行固态电池的“生产工程”

稀土-磁铁用于许多混合动力汽车、一些-纯电动汽车以及其他应用,例如风力涡轮机和机器人技术。

尽管“稀有”对于像钕这样的材料来说有点用词不当(高需求导致产量相对较高),但丰田指出,“人们担心,随着电动汽车(包括混合动力汽车和纯电动汽车)在未来变得越来越受欢迎,短缺将会加剧。”稀土开采的集中化加剧了这种担忧:尽管美国和世界其他地区已经尝试开采稀土金属,但稀土开采主要集中在中国。-稀土金属的开采主要集中在中国。 2011年,该国威胁要停止出口钕和其他稀土,导致这些金属的价格飙升。如果中国再次利用稀土作为地缘政治工具,可能会对像丰田这样依靠稀土生产普锐斯等旗舰产品的公司产生重大影响。

丰田开发的新型磁铁也不使用铽或镝,可以将其添加到钕中以提高其在 100 摄氏度(212 华氏度)以上高温下的可操作性。 (事实上​​,矿业咨询公司罗斯基尔指出,很少有汽车制造商不再在磁铁中使用铽,尽管镝仍然通常与钕一起添加到磁铁中。)

这些磁铁有什么作用?

钕铁硼磁铁能够以小体积产生强磁场。根据可持续材料与技术 2015 年发表的一篇论文,当与镝配对时,NdFeB 磁体具有高矫顽力,即“一旦磁化就具有抵抗退磁的能力”。

在一个永磁体(PM)交流汽车电机,转子中常嵌入钕铁硼磁铁。当定子中的绕组通电时,磁引力导致转子旋转。在其他设计中,磁体可以嵌入在定子中,或者磁体可以布置成在直流磁场下工作。相比之下,感应电机(更为常见)不使用磁铁,而是依靠流经定子绕组的电流来感应磁场,从而导致转子旋转。

正如您可能想象的那样,永磁电机和无磁感应电机-之间存在多种权衡。- Roskill 指出,基于 PM- 的系统往往更轻、更小,因为它们可以依靠内部的 NdFeB 磁铁来获得恒定的磁场。大多数混合动力汽车 (HEV) 使用 PM 系统:对于混合动力系统,您需要电池和内燃机,因此减小电机的尺寸至关重要。 (零部件-制造商博世还致力于构建在同一产品中同时使用感应电机和永磁电机的系统,例如用于前轴和后轴。)

众所周知,特斯拉在其 Model S 和 Model X 车辆中避免使用磁铁,而是选择了更重的铜感应系统。但据报道,Model 3 确实使用了 PM 系统,可能是因为磁铁节省了空间和重量(这会影响电池续航里程),而且此类电机往往具有更好的加速度。 Roskill 表示,雪佛兰 Bolt 还使用了基于钕-的磁铁。

这块新磁铁里有什么?

磁铁使用较便宜的-稀有-稀土金属镧和铈,而不是钕或镝。当然,这并不能消除钕的许多问题:镧和铈仍然主要在中国开采,与大多数稀土一样,它们的生产可能会对环境造成破坏。但路透社指出,虽然钕的成本约为每公斤 100 美元,镝的成本约为每公斤 400 美元,但镧和铈的成本约为每公斤 5 至 7 美元。理想情况下,更便宜的磁铁可能会导致混合动力汽车和全电动汽车更便宜。-

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放大 / 丰田的磁铁不是将钕浓度均匀的磁铁,而是将钕集中在磁铁的边缘。

丰田

丰田使用了一些技巧来减少钕的使用。该公司表示,简单地用镧和铈替换磁体中的钕会导致磁体的矫顽力和耐热性降低,这意味着电机性能将受到影响。-相反,该公司在设计磁铁时,大部分的镧和铈颗粒都位于磁铁的内部,而大部分的钕颗粒则位于外部。

该汽车制造商还减小了磁铁中金属的晶粒尺寸。一段时间以来,这一直是一个研究途径:2015 年可持续材料和技术论文指出,找到一种可靠地减小稀土磁体组件晶粒尺寸的方法可以增加磁体中存储的磁能。丰田显然也在走这条路。其研究人员能够将其磁体组件的晶粒尺寸减小到标准磁体中使用的晶粒尺寸的十分之一。-

这些制造技术使丰田能够减少制造 NdFeB 磁体所需的 20% 至 50% 的钕,而不会损失性能或矫顽力。路透社指出,电动汽车磁铁可能只能利用低端的优势,但消除汽车磁铁所需的 20% 的钕也很好。

目前,该设计还处于初步阶段,丰田表示,在将这些先进磁铁添加到汽车中之前,需要进行更多研究。到 2020 年代初期,该公司希望在动力-转向系统中使用磁铁,然后希望在十年内更广泛地应用于电动汽车电机。

丰田一直是混合动力汽车市场的先驱,但在将所有-电动汽车推向市场方面却犹豫不决。不过,从各方面来看,该公司的研究人员一直在寻找让电动汽车变得最先进的方法。-该公司于 2017 年夏天宣布,它正在进行固态电池的“生产工程”,理论上,这种电池比我们今天在特斯拉、日产和雪佛兰上看到的电池更轻、更小,并且具有更好的工作温度范围。



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