Les moteurs à aimants permanents sont là pour rester, mais nous pouvons les rendre moins coûteux.
oyota affirme avoir inventé un nouvel aimant pour les applications à haute énergie, comme les moteurs électriques qui utilisent une fraction de la quantité de néodyme (un élément des terres rares) d'un aimant standard en fer, bore, néodyme (NdFeB).
Toyota dans "l'ingénierie de production" pour une batterie à l'état solide, WSJ dit
Les aimants à terres rares sont utilisés dans de nombreux véhicules hybrides, dans certains véhicules tout électriques et dans d'autres applications comme les éoliennes et la robotique.
Bien que «rare» soit un peu impropre pour un matériau comme le néodyme (une forte demande a entraîné des volumes de production relativement élevés), Toyota note que «les pénuries vont se développer à mesure que les véhicules électriques, y compris les véhicules hybrides et électriques de plus en plus populaire à l'avenir. " Cette préoccupation est aggravée par la concentration des mines de terres rares: bien que des tentatives aient été faites pour extraire des métaux des terres rares aux États-Unis et dans d'autres parties du monde, une prépondérance de l'exploitation des terres rares se produit en Chine. Ce pays a menacé de cesser d'exporter du néodyme et d'autres terres rares en 2011, ce qui a fait monter les prix des métaux. Si la Chine utilisait de nouveau l'accès aux terres rares comme outil géopolitique, cela pourrait avoir un impact significatif sur des entreprises comme Toyota qui dépendent des terres rares pour construire des produits phares comme la Prius.
Le nouvel aimant développé par Toyota n'utilise pas non plus de terbium ou de dysprosium, qui peut être ajouté au néodyme pour améliorer son fonctionnement à haute température, au-dessus de 100 degrés Celsius (212 degrés Fahrenheit). (En fait, le cabinet de conseil minier Roskill note que peu de constructeurs automobiles utilisent le terbium dans les aimants, bien que le dysprosium soit encore couramment ajouté aux aimants avec du néodyme.)
Que font ces aimants?
Les aimants NdFeB sont capables de produire un fort champ magnétique dans de petits volumes. Lorsqu'ils sont associés au dysprosium, les aimants NdFeB ont une forte coercitivité, c'est-à-dire «la capacité à résister à la démagnétisation une fois magnétisée», selon un article publié en 2015 par Sustainable Materials and Technologies.
Dans un moteur de voiture AC à aimant permanent (PM), les aimants NdFeB sont souvent noyés dans le rotor. Lorsque les enroulements de fil dans le stator sont électrifiés, l'attraction magnétique provoque la rotation du rotor. Dans d'autres conceptions, les aimants peuvent être intégrés dans le stator, ou les aimants peuvent être agencés pour fonctionner avec un champ magnétique continu. En revanche, les moteurs à induction (qui sont beaucoup plus communs) n'utilisent pas d'aimants et dépendent du courant qui circule dans les enroulements du stator pour induire un champ magnétique, ce qui conduit à la rotation du rotor.
Comme vous pouvez l'imaginer, il existe plusieurs compromis entre les moteurs PM et les moteurs à induction sans aimant. Roskill note que les systèmes basés sur les PM ont tendance à être plus légers et plus petits, puisqu'ils peuvent compter sur l'aimant NdFeB à l'intérieur d'eux pour un champ magnétique constant. La plupart des véhicules hybrides (HEV) utilisent des systèmes PM: avec un système hybride, vous avez besoin à la fois d'une batterie et d'un moteur à combustion interne, donc la réduction de la taille du moteur est primordiale. (Le fabricant de composants Bosch a également travaillé sur des systèmes de construction qui utilisent à la fois des moteurs à induction et des moteurs à aimants permanents dans le même produit, pour les essieux avant et arrière, par exemple.)
Tesla a évité les aimants dans ses modèles Model S et Model X, optant pour un système d'induction en cuivre plus lourd. Mais le modèle 3 utilise apparemment un système de MP, probablement parce que les aimants économisent de l'espace et du poids (ce qui peut affecter la portée de la batterie), et de tels moteurs ont tendance à avoir une meilleure accélération. Le Chevy Bolt utilise également un aimant à base de néodyme, dit Roskill.
Qu'y a-t-il dans ce nouvel aimant?
Au lieu du néodyme ou du dysprosium, l'aimant utilise des métaux de terres rares moins chers, le lanthane et le cérium. Certes, cela ne supprime pas beaucoup de problèmes liés au néodyme: le lanthane et le cérium sont encore majoritairement extraits en Chine et, comme la plupart des terres rares, ils peuvent être nocifs pour l'environnement. Mais Reuters note que si le néodyme coûte environ 100 dollars par kg et le dysprosium coûte environ 400 dollars le kg, le lanthane et le cérium coûtent entre 5 et 7 dollars le kilo. Idéalement, un aimant moins cher pourrait entraîner des véhicules hybrides et tout-électriques moins chers.
Agrandir / A la place des aimants à concentration uniforme de néodyme, les aimants de Toyota concentrent le néodyme sur les bords de l'aimant.
Toyota
Toyota a utilisé quelques astuces pour réduire son utilisation de néodyme. La société affirme que le simple remplacement du néodyme dans un aimant par du lanthane et du cérium conduit à un aimant inférieur, avec une coercivité réduite et une résistance à la chaleur réduite, ce qui signifie que les performances du moteur en souffriront. Au lieu de cela, l'entreprise a composé l'aimant de sorte que la plupart des grains de lanthane et de cérium étaient internes à l'aimant, et la plupart des grains de néodyme étaient à l'extérieur.
Le constructeur automobile a également réduit la taille des grains des métaux dans l'aimant. Cela a été une piste de recherche depuis un certain temps: le document 2015 Matériaux et technologies durables a noté que trouver un moyen de réduire de manière fiable la taille des grains d'aimants des terres rares pourrait augmenter l'énergie magnétique stockée dans un aimant. Toyota poursuivait apparemment cette voie. Ses chercheurs ont réussi à réduire la taille des grains de ses composants à un dixième de ce qui est utilisé dans les aimants standards.
Ces techniques de fabrication permettent à Toyota de perdre 20 à 50% du néodyme nécessaire pour fabriquer un aimant NdFeB sans perte de performance ou de coercivité. Reuters note que les aimants de véhicules électriques seront probablement seulement en mesure de tirer parti du bas de gamme, mais l'élimination de 20 pour cent du néodyme dont vous avez besoin dans un aimant de véhicule est également bonne.
Pour l'instant, la conception est préliminaire, et Toyota dit qu'il doit mener plus de recherches avant d'ajouter ces aimants avancés dans ses voitures. Au début des années 2020, la société espère utiliser les aimants dans les systèmes de direction assistée, puis espère utiliser plus largement les moteurs de véhicules électriques au cours de la décennie.
Toyota a été un pionnier sur le marché des véhicules hybrides, mais il a été plus hésitant à commercialiser des véhicules tout électriques. De l'avis général, cependant, ses chercheurs ont cherché des moyens de rendre les véhicules électriques à la fine pointe de la technologie. La société a annoncé en été 2017 qu'elle était en «ingénierie de production» pour une batterie à l'état solide, qui serait théoriquement plus légère, plus petite et offrant une meilleure plage de températures de fonctionnement que les batteries actuelles sur Teslas, Nissans et Chevys. .