Doporučujeme, Technologie

Magnet, který odolává teplu

24 dubna 2018   Galerie

Toyota nedávno přišla s prvním teplovzdorným magnetem pro elektromobily, který má snížený obsah neodymu.

Japonská automobilka takový magnet vyvinula jako první na světě. Neodymové magnety se používají v nejrůznějších typech elektromotorů, například ve vysoce výkonných motorech elektromobilů, které čím dál víc zaplňují světové silnice (a lze očekávat, že tento trend bude nabývat na síle).

Nový magnet využívá výrazně nižší obsah neodymu (prvek vzácných zemin) 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.

Vzácné a nedostatkové
Víte, čemu se říká vzácné zeminy? Jedná se o skupinu sedmnácti prvků podobných vlastností. K prvkům vzácných zemin patří lanthan, cer, neodym, terbium a dysprosium. Využitím uvedených prvků je možné připravit nejrůznější funkční materiály.Nedostatkové suroviny jsou kovy, jejichž stabilní dodávky jsou otázkou politického významu – třebaže jejich výskyt v zemské kůře je poměrně vzácný, respektive jejich získávání je z technických nebo ekonomických důvodů obtížné.

Nově vyvinutý magnet má nulový obsah terbia (Tb) a dysprosia (Dy), což jsou rovněž prvky vzácných zemin řazené mezi nedostatkové suroviny 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. Tím 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 má jeden neblahý důsledek: pokles výkonnosti elektromotoru. Japonští inženýři proto nasadili nové technologie, které potlačují negativní dopady na koercivitu a odolnost vůči teplu v důsledku nahrazení neodymu lanthanem a cerem. Vznikl tak magnet nabízející srovnatelnou úroveň tepelné odolnosti jako někdejší neodymové magnety zatímco podíl použitého neodymu poklesl až o padesát procent.

Nahlédnutí do kuchyně

Jak bylo řečeno, pro magnety používané v elektromotorech automobilů i v dalších aplikacích je důležité zachovat vysokou koercivitu i za podmínek vysoké teploty. Z tohoto důvodu přibližně třicet procent prvků používaných v magnetech tvoří prvky vzácných zemin.

V případě výkonných neodymových magnetů za vysokých teplot (například právě 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.

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.

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

  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.

  1. 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.

  1. 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 výzkumníci odhalili specifický poměr legování lanthanem a cerem (v obou případech hojně se vyskytující a poměrně levné vzácné zeminy) tak, aby ke zhoršování parametrů nedocházelo.

Kam dál?

Očekává se, že tento nový magnet najde široké využití v elektromotorech s poměrně vysokým výkonem, jako jsou třeba 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 deseti let.

 

, ,



Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Anti SPAM *

Newsletter přihlášení

Nejzajímavější články z webu ve vašem e-mailu. Nechcete přijít o zajímavé články? Přihlaste se k odběru newsletteru, který vás upozorní na nové články a diskuze na vvautomotive.cz

Buďme v kontaktu

Sledujte SWELL na síti LinkedIn a na Facebooku – buďte v kontaktu s profesionály z oboru. Odebírejte aktuální informace a rozšiřte komunitu odborníků.