Toyota razvija jeftinije elektromotore – veliki proboj

Elektromotori koji koriste stalne magnete ostaće još dugo u upotrebi, ali je Toyota našla rešenje da koštaju drastično manje, nego što im je tržišna cena danas.

Toyota tvrdi da je izumela novi magnet za primenu u jedinicama koje zahtevaju gust energetski naboj, kao što to na primer čini električni motor, koji koristi frakciju određene količine neodijuma. Ovo je veoma redak element u prirodi, a sastavni deo je magneta, čija je hemijska formula NdFeB. To znači da se magnet sastoji iz neodijuma, gvožđa i bora.

Magneti, u čijem sastavu se nalaze retki elementi, u upotrebi su u mnogim hibridnim vozilima, pojedinim čisto električnim vozilima, ali i u industriji vetro turbina i robotici.

Iako pridev „retki“ pomalo vodi ka zabludi, posebno za materijal nazvan neodijum, čija je proizvodnja poprilično masovna zbog velike tražnje, Toyota naglašava da “postoji određena zabrinutost da bi nestašica ovih sirovina mogla da bude realnost, sa porastom udela elektrifikovanih vozila u svetskoj floti.“ Ova briga dobija na značenju još i više, ako se zna da su nalazišta retkih elemenata skoncentrisana na malom broju lokacija u svetu. Iako su učinjeni pokušaji eksploatacije ovakvih minerala na mnogim lokacijama, američkim na primer, Kina je ta koja u ovoj oblasti ima ubedljivu prevlast. Ta država je zapretila 2011. godine, da će prestati da izvozi neodijum i druge retke elemente, a što je dovelo do drastičnog porasta cena ovih sirovina. Ukoliko bi Kina počela da koristi retke elemente kao sredstvo širenja geopolitičkog uticaja ponovo, mnoge kompanije bi pretrpele ogromne štete. Toyota i njen pravac elektrifikacije, sasvim sigurno bi bili ugroženi.

Novi magnet koji je razvila Toyota, ne koristi ni ostale retke elemente, koji se obično dodaju kako bi se povećala funkcionalnost neodijuma na visokim temperaturama (preko 100 stepeni Celzijusa). Konsultantske firme iz oblasti eksploatacije minerala navode da sve manje proizvođača koristi terbijum, mada mnogi još uvek dodaju neodijumu, elemenat disprozijum.

Koja je funkcija ovih magneta?

NdFeB magneti su u stanju da obezbede snažno magnetno polje u malom obimu prostora oko sebe. Uparen sa disprozijumom, NdFeB magnet poseduje visok nivo „sposobnosti otpora prema razmagnetisanju, nakon što je jednom magnetisan,“ a prema nalazima studije iz 2015. godine, koja se bavila Održivim materijalima i tehnologijama (Sustainable Materials and Technologies).

U stalnom magnetu (Permanent Magnet – PM) AC automobilski motor, često sadrži NdFeB magnete koji su sastavni deo rotora. Kada su namotaji žica u statoru elektrificirani, privlačna moć magneta omogućava rotoru da se zavrti. Postoje i neka druga tehnička rešenja prema kojima magneti mogu biti inkorporirani u stator, ili mogu biti u sprezi funkcionisanja sa DC magnetnim poljem. Za razliku od svega navedenog, indukcioni motori (koji su sve češći) ne koriste magnete, a oslanjaju se na tekuću energiju koja protiče kroz namotaje statora koja indukuje magnetno polje, a koje opet, omogućava okrete rotora.

Kao što verovatno možete i da zamislite, postoje različite verzije između PM motora i motora koji ne koriste magnet. Stručna konsultantska kuća primećuje da su PM motori nešto lakši i manje gabaritni, pošto mogu da se oslone na NdFeB magnete, smeštene unutar sistema, za konstantno magnetno polje. Većina hibridnih vozila koriste PM sisteme: hibridna postavka zahteva i bateriju i motor sa unutrašnjim sagorevanjem, pa je zato veličina elektromotora od vitalnog značaja. Poznati proizvođač komponenti Bosch, angažovan je takođe na konstruisanju sistema koji koriste i indukcione motore i motore sa stalnim magnetima, za upotrebu na točkovima prednje ili zadnje osovine, na primer.

Tesla je eskivirao upotrebu magneta u svojim automobilima Model S i Model X, opredeljujući se za teži indukcioni sistem zasnovan na upotrebi bakra. Ali Model 3 ipak koristi sistem stalnih magneta, kako bi se uštedelo na prostoru i masi vozila, a što je od odraza na autonomiju. Takvi motori omogućavaju i bolje rezultate u oblasti ubrzanja. Chevrolet Bolt takođe koristi sistem stalnih magneta.

U čemu je draž novog magneta?

Umesto neodijuma i disprozijuma, magnet koristi jeftinije retke metale lantanijum i cerijum. Sigurno, ovim potezom ne rešavate mnoga pitanja skopčana sa upotrebom neodijuma, s obzirom na to da se i alternativni metali nabavljaju, uglavnom iz Kine, baš kao i većina ostalih retkih elemenata, čija je eksploatacija veoma nezahvalna sa aspekta uticaja na prirodno okruženje. Ipak, Reuters naglašava da neodijum ima cenu od 100 američkih dolara po kilogramu, dok disprozijum košta četiri puta više. Istovremeno lantanijum i cerijum koštaju samo 5 i 7 američkih dolara za kilogramu. Ovo je zapravo idealan scenarijo. Jeftiniji magnet dovodi i do jeftinijih hibridnih i čisto električnih vozila.

Toyota se koristi sa par magičnih trikova, kako bi se količina upotrebljenog neodijuma što više redukovala. Kompanija jednostavno navodi da umesto neodijuma u magnetima, koristi više lantanijuma i cerijuma a što dovodi do smanjenog otpora na razmagnetisavanje, kao i smanjenog otpora prema lošem uticaju toplote. To u prevodu znači da će performanse elektromotora biti lošije, u poređenju sa elektromotorima koji koriste čiste NdFeB magnete. Zato, Toyota koristi magnete sa primesama lantanijuma i cerijuma u unutrašnjosti magneta, dok se neodijum koristi u spoljašnjim slojevima.

Proizvođač automobila je takođe smanjio veličinu granula metala unutar magneta. Ovo je učinjeno nakon objavljenih pomenutih istraživanja iz 2015. godine, prema kojima je iznalaženje načina za bezbedno smanjenje veličine granula komponenti retkih magneta, dovelo do povećanja količine deponovane energije u magnetu. Toyota je očito krenula tim putem. Istraživači kompanije su uspeli da smanje veličinu granula metala, odnosno njegovih magnetnih komponenti, na svega 10% veličine korišćene u uobičajenim magnetima.

Ove proizvođačke tehnike su omogućile Toyoti da smanji upotrebu neodijuma za čak 20 do 50% bez ikakvih negativnih implikacija o kojima je bilo reči u prethodnom delu članka. Reuters navodi da će električna vozila koja koriste magnete, verovatno biti u prilici da iskoriste dobrobiti ovog otkrovenja na donjem pragu navedenih procenata, ali se slaže da je i to ogroman pomak.

Za sada, ovo otkriće se može smatrati preliminarnim, a Toyota navodi da su dalja istraživanja neophodna pre komercijalizacije navedene tehnologije u savremenim automobilima. Do početka naredne decenije, kompanija se nada da će moći da koristi magnete za sisteme elektro servo asistencije za upravljački mehanizam, a nakon toga, novorazvijeni sistem će biti moguće koristiti i za elektromotore. Ceo plan se, dakle, odnosi na narednu deceniju, i tada se mogu očekivati blagodeti od ovog pronalaska.

Toyota je odigrala pionirsku ulogu u razvoju tržišta za hibridna vozila, ali je kompanija oklevala sa uvođenjem čisto električnih vozila. Po svim osnovama, istraživači su se trudili da iznađu načine da električna vozila koriste najsavremenije tehnologije. Toyota je tokom leta 2017. godine, objavila da se nalazi u fazi završnih inženjering testiranja u cilju korišćenja čvrstih baterija, koje su lakše, manjih gabarita i imaju veći raspon radnih temeratura od baterijskih jedinica koje danas koriste vozila sledećih proizvođača: Tesla, Nissan i Chevrolet.

Izvor: ArsTechnica

Priredio: Zvezdan Božinović

(746)