Toyota vyvinula celosvětově první teplovzdorný magnet pro elektromotory se sníženým obsahem neodymu

Společnost Toyota Motor Corporation jako první na světě vyvinula teplovzdorný magnet se sníženým obsahem neodymu. Neodymové magnety se používají v nejrůznějších typech elektromotorů, např. ve vysoce výkonných motorech elektrifikovaných vozidel, u nichž lze v příštích letech očekávat rychlé rozšíření. Nový magnet využívá výrazně nižší obsah neodymu (prvek vzácných zemin[1] ) a lze jej využívat i za podmínek zvýšeného tepla. Očekává se, že nový typ magnetu najde využití ve stále častějším nasazení elektromotorů v nejrůznějších oblastech od výroby automobilů až po robotiku, a napomůže tak k lepšímu vyvážení nabídky a poptávky po vzácných přírodních zdrojích.

Nově vyvinutý magnet má nulový obsah terbia (Tb) a dysprosia (Dy), což jsou rovněž prvky vzácných zemin řazené mezi nedostatkové suroviny[2] nezbytné k výrobě neodymových magnetů s vysokou odolností vůči teplu. Část neodymu byla nahrazena lanthanem (La) a cerem (Ce), což jsou nízkonákladové prvky vzácných zemin, čímž se snížilo množství neodymu potřebného k výrobě magnetu.

Neodym hraje významnou roli v otázce zachování vysoké koercivity (schopnosti uchovávat zmagnetování) a odolnosti vůči teplu. Samotné snížení množství neodymu a jeho náhrada lanthanem a cerem vede k poklesu výkonnosti elektromotoru. Toyota proto nasadila nové technologie, které potlačují negativní dopady na koercivitu a odolnost vůči teplu v důsledku nahrazení neodymu lanthanem a cerem, a vyvinula tak magnet nabízející srovnatelnou úroveň tepelné odolnosti jako někdejší neodymové magnety – zatímco podíl použitého neodymu poklesl až o 50 procent.

Toyota se bude i nadále věnovat zlepšování vlastností magnetu a hodnocení možností jeho využití v různých produktech; současně urychlí vývoj technologií sériové výroby s cílem rychlého nasazení v elektromotorech pro nejrůznější aplikace, včetně výroby automobilů a robotiky. To vše by mělo pomoci k lepšímu vyrovnání mezi nabídkou a poptávkou u vzácných přírodních zdrojů.

Příprava základních technologií pro elektromotory, měniče, akumulátory a další komponenty si vyžádá další výzkum a vývoj pro budoucí aplikace. Toyota vnímá uvedené technologie jako nezbytnou součást elektrifikovaných vozidel, a bude proto pokračovat v dalším vývoji.

POZADÍ VÝVOJE TEPLOVZDORNÝCH MAGNETŮ SE SNÍŽENÝM OBSAHEM Nd

Pro magnety používané v elektromotorech automobilů i v dalších aplikacích je důležité zachovat vysokou koercivitu (schopnost udržovat zmagnetování) i za podmínek vysoké teploty. Z tohoto důvodu přibližně 30 procent prvků používaných v magnetech tvoří prvky vzácných zemin.

V případě výkonných neodymových magnetů za vysokých teplot (např. v automobilech) se běžně přidávají prvky terbium a dysprosium ke zvýšení koercivity za vysokých teplot. Terbium a dysprosium jsou však vzácné a drahé kovy, jejichž těžba navíc probíhá v oblastech vyznačujících se nestabilní geopolitickou situací. Výzkumníci proto věnují nemalé úsilí vývoji magnetů bez obsahu uvedených prvků, a tak se dnes můžeme těšit z prvních pozitivních výsledků.

Výrobní objemy neodymu jsou v rámci vzácných zemin poměrně vysoké, avšak existují obavy, že postupně budeme čelit nedostatku v důsledku narůstající obliby elektrifikovaných vozidel, včetně hybridních vozů a elektromobilů. I přes tyto obavy byly dosavadní snahy o omezení spotřeby neodymu zatím poměrně malé.

S cílem vyřešit uvedené problémy se Toyota úspěšně chopila vývoje technologií, které mohou napomoci odbourat využívání terbia i dysprosia a současně snížit množství používaného neodymu. Díky nahrazení neodymu lanthanem a cerem, což jsou hojně se vyskytující a poměrně levné prvky vzácných zemin, se podařilo zachovat vysokou odolnost vůči teplu a současně minimalizovat pokles koercivity.

KLÍČOVÉ BODY VÝVOJE TEPLOVZDORNÝCH MAGNETŮ SE SNÍŽENÝM OBSAHEM Nd

Nově vyvinutý teplovzdorný magnet se sníženým obsahem neodymu si uchovává koercivitu i za vysokých teplot, neboť kombinuje tyto tři nové technologie:

  1. Zjemnění zrn magnetu
    2. Dvouvrstvý povrch zrn s vysokou účinností
    3.         Specifický poměr legování lanthanem a cerem

Klíčový bod vývoje č. 1: Zjemnění zrn magnetu

Nyní je možné zachovat vysokou koercivitu i za vysokých teplot díky zmenšení velikostí zrn magnetu až na jednu desetinu či méně (v porovnání s běžnými neodymovými magnety) při současném zvětšení oblasti hranice zrn.

 

Klíčový bod vývoje č. 2: Dvouvrstvý povrch zrn s vysokou účinností

V běžných neodymových magnetech je neodym rovnoměrně rozprostřen v zrnech magnetu, a tak se často k výrobě magnetu spotřebuje více neodymu, než je k uchování koercivity nezbytně nutné. Je proto možné zvýšit efektivitu využití neodymu zvětšením koncentrace neodymu na povrchu zrn magnetu (nezbytné ke zvýšení koercivity) a zmenšením koncentrace v jádru těchto zrn. V důsledku se tak sníží celkové množství neodymu potřebného k výrobě nového magnetu.

Klíčový bod vývoje č. 3: Specifický poměr legování lanthanem a cerem

Pokud bychom neodym jednoduše legovali lanthanem a cerem, jeho výkonové parametry (odolnost vůči teplu a koercivita) by se podstatně zhoršily, což by využití těchto lehkých vzácných zemin komplikovalo. Při analýze nejrůznějších slitin Toyota odhalila specifický poměr legování lanthanem a cerem (v obou případech hojně se vyskytující a poměrně levné vzácné zeminy) tak, aby ke zhoršování parametrů nedocházelo.

Celosvětově první teplovzdorný magnet se sníženým obsahem neodymu byl vyvinut díky současnému nasazení všech tří výše uvedených technologií.
BUDOUCÍ SMĚŘOVÁNÍ

Nově vyvinutý teplovzdorný magnet se sníženým obsahem neodymu odbourává potřebu terbia a dysprosia (prvků vzácných zemin nezbytných k výrobě neodymových magnetů s požadavkem na vysokou tepelnou odolnost) a zároveň klade nižší nároky na spotřebu samotného neodymu. Očekává se, že tento nový magnet najde široké využití v elektromotorech s poměrně vysokým výkonem, jako jsou např. elektromotory nebo generátory energie používané v pohonných ústrojích elektrifikovaných vozidel, v elektrických posilovačích řízení, robotech a nejrůznějších domácích spotřebičích. Výsledky vývoje rovněž přispějí ke snížení rizika přerušení dodávek vzácných zemin nebo náhlých cenových výkyvů směrem vzhůru.

Do budoucna Toyota zvažuje další oblasti praktického využití, plánuje vyhodnocování různých způsobů nasazení v motorových vozidlech a pokračování výzkumu a vývoje technologií v zájmu nízkonákladové a stabilní výroby.

Toyota očekává, že nové magnety využije v elektromotorech pro elektrické posilovače řízení automobilů a další aplikace již v první polovině 20. let. Automobilka bude kromě toho pokračovat ve vývoji s cílem praktického nasazení ve vysoce výkonných elektromotorech pohonných ústrojí elektrifikovaných vozidel, a to v horizontu příštích 10 let.

[1] Skupina 17 prvků podobných vlastností. K prvkům vzácných zemin patří lanthan, cer, neodym, terbium a dysprosium. Využitím uvedených prvků je možné připravit nejrůznější funkční materiály.

[2] Kovy, jejichž stabilní dodávky jsou otázkou politického významu – třebaže jejich výskyt v zemské kůře je poměrně vzácný, resp. jejich získávání je z technických nebo ekonomických důvodů obtížné.

Toyota vyvinula celosvětově první teplovzdorný magnet pro elektromotory se sníženým obsahem neodymu
Ohodnoťte tento článek!
5 (100%) 1 hlas/ů

PŘIDAT KOMENTÁŘ: