Motores de ímã permanente estão aqui para ficar, mas podemos torná-los menos caros.
A oyota diz ter inventado um novo ímã para aplicações de alta energia, como motores elétricos, que usam uma fração da quantidade de neodímio (um elemento de terra rara) de um magneto padrão de ferro, boro, neodímio (NdFeB).
Toyota em "engenharia de produção" para uma bateria de estado sólido, diz WSJ
Os ímãs de terras raras são usados em muitos veículos híbridos, em alguns veículos totalmente elétricos e em outras aplicações, como turbinas eólicas e robótica.
Embora "raro" seja um pouco impróprio para um material como o neodímio (a alta demanda levou a volumes de produção relativamente altos), a Toyota observa que "há preocupações de que a escassez se desenvolva à medida que veículos elétricos, incluindo veículos híbridos e elétricos a bateria, se tornem cada vez mais popular no futuro ". Essa preocupação é agravada pela concentração da mineração de terras-raras: embora tenham sido feitas tentativas de mineração de metais de terras raras nos EUA e em outras partes do mundo, uma preponderância de mineração de terras raras ocorre na China. Esse país ameaçou deixar de exportar neodímio e outras terras raras em 2011, o que elevou os preços dos metais. Se a China usar novamente o acesso a terras-raras como ferramenta geopolítica, isso poderá impactar significativamente empresas como a Toyota que dependem de terras-raras para construir produtos emblemáticos como o Prius.
O novo imã que a Toyota desenvolveu também não usa nem térbio nem disprósio, que podem ser adicionados ao neodímio para melhorar sua operabilidade em altas temperaturas, acima de 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit). (Na verdade, a consultoria de mineração Roskill observa que poucas montadoras usam mais o térbio em ímãs, embora o disprósio ainda seja comumente adicionado a ímãs com neodímio.)
O que esses ímãs fazem?
Ímãs NdFeB são capazes de produzir um forte campo magnético em pequenos volumes. Quando emparelhados com disprósio, os ímanes NdFeB têm alta coercividade, isto é, "a capacidade de resistir à desmagnetização uma vez magnetizada", de acordo com um artigo de 2015 da Sustainable Materials and Technologies.
Em um motor de carro AC de Ímã Permanente (PM), os ímãs de NdFeB são freqüentemente embutidos no rotor. Quando os enrolamentos de fio no estator são eletrificados, a atração magnética faz com que o rotor gire. Em outros projetos, os ímãs podem ser embutidos no estator, ou os ímãs podem ser dispostos para trabalhar com um campo magnético DC. Por outro lado, os motores de indução (que são muito mais comuns) não usam ímãs e contam com a corrente que flui através dos enrolamentos do estator para induzir um campo magnético, o que leva à rotação do rotor.
Como você pode imaginar, existem vários trade-offs entre motores PM e motores de indução sem íman. Roskill observa que sistemas baseados em PM tendem a ser mais leves e menores, já que eles podem confiar no ímã NdFeB dentro deles para um campo magnético constante. A maioria dos veículos híbridos (HEVs) usa sistemas PM: com um sistema híbrido você precisa de uma bateria e de um motor de combustão interna, portanto, reduzir o tamanho do motor é fundamental. (A fabricante de componentes Bosch também trabalhou na construção de sistemas que usam motores de indução e de ímã permanente no mesmo produto, para eixos dianteiro e traseiro, por exemplo).
Tesla notoriamente evitou ímãs em seus veículos Modelo S e Modelo X, optando por um sistema de indução de cobre mais pesado. Mas o Modelo 3 supostamente usa um sistema de PM, provavelmente porque os ímãs economizam espaço e peso (o que pode afetar a autonomia da bateria), e tais motores tendem a ter melhor aceleração. O Chevy Bolt também usa um ímã baseado em neodímio, diz Roskill.
O que há nesse novo ímã?
Em vez de neodímio ou disprósio, o íman usa lantânio e cério, metais menos caros, de terras raras. Certamente, isso não elimina muitos dos problemas com o neodímio: o lantânio e o cério ainda são predominantemente extraídos na China e, como na maioria das terras raras, podem ser destrutivos do ponto de vista ambiental. Mas a Reuters observa que enquanto o neodímio custa cerca de US $ 100 por quilo e o disprósio custa cerca de US $ 400 por quilo, o lantânio e o cério custam de US $ 5 a US $ 7 por quilo. Idealmente, um ímã mais barato poderia resultar em veículos híbridos e totalmente elétricos mais baratos.
Ampliar / Em vez de ímãs com uma concentração uniforme de neodímio, os ímãs da Toyota concentram neodímio ao redor das bordas do ímã.
Toyota
A Toyota usou alguns truques para reduzir seu uso de neodímio. A empresa diz que a simples substituição do neodímio em um ímã com lantânio e cério resulta em um ímã abaixo da média com coercividade reduzida e resistência ao calor reduzida, o que significa que o desempenho do motor sofrerá. Em vez disso, a empresa compôs o imã de modo que a maioria dos grãos de lantânio e cério eram internos ao imã, e a maioria dos grãos de neodímio ficava do lado de fora.
A montadora também reduziu o tamanho dos grãos dos metais no ímã. Este tem sido um caminho de pesquisa há algum tempo: o documento Sustainable Materials and Technologies de 2015 observou que encontrar uma maneira de reduzir de maneira confiável o tamanho dos grãos dos componentes de ímãs de terras raras poderia aumentar a energia magnética armazenada em um ímã. A Toyota aparentemente também estava seguindo esse caminho. Seus pesquisadores conseguiram reduzir o tamanho dos grãos dos componentes de seus ímãs a um décimo do que é usado em ímãs padrão.
Essas técnicas de fabricação permitem que a Toyota perca 20 a 50% do neodímio necessário para fazer um ímã NdFeB sem perder desempenho ou coercividade. A Reuters observa que os ímãs de veículos elétricos provavelmente só serão capazes de tirar proveito do baixo custo disso - mas eliminar 20% do neodímio que você precisa em um imã de veículo também é bom.
Por enquanto, o design é preliminar e a Toyota diz que precisa conduzir mais pesquisas antes de adicionar esses ímãs avançados em seus carros. No início dos anos 2020, a empresa espera usar os ímãs em sistemas de direção hidráulica e, em seguida, espera usar mais amplamente os motores de veículos elétricos na década.
A Toyota tem sido pioneira no mercado de veículos híbridos, mas tem hesitado em empurrar veículos totalmente elétricos para o mercado. Por todas as contas, porém, seus pesquisadores têm procurado maneiras de tornar os veículos elétricos de ponta. A empresa anunciou no verão de 2017 que estava em "engenharia de produção" para uma bateria de estado sólido, que teoricamente seria mais leve, menor e teria uma faixa operacional melhor do que as baterias que vemos hoje em Teslas, Nissans e Chevys. .
