Met de opkomst van elektrische voertuigen is de vraag naar zeldzame aardmetalen flink gestegen. Nu zijn er verschillende methoden om het gebruik van zeldzame aardmetalen in elektromotoren te elimineren. Dit artikel behandelt enkele van deze methoden inclusief hun voor- en nadelen.
Inductiemotor
In een inductiemotor (of asynchrone motor) induceert het roterende magneetveld dat door de stator wordt geproduceerd stromen op de rotor, die op zijn beurt een magnetisch veld produceert dat wordt aangetrokken/afgestoten door het radiale veld van de statorwikkelingen. De inductiemotor gebruikt koperen of aluminium staven of wikkelingen op de rotor. Deze motoren hebben over het algemeen een goede piekvermogens- en koppeldichtheid over korte perioden. Thermisch beheer kan echter een uitdaging zijn en ze hebben over het algemeen een lagere efficiëntie dan PM-opties.
Inductiemotoren zijn gebruikelijk in de EV-markt en waren de primaire keuze van Tesla tot de lancering van de Model 3 (die een PM-ontwerp gebruikte). In de automarkt zijn er nog steeds enkele voorstanders, zoals Audi en Mercedes, maar inductiemotoren worden nu vooral gebruikt als secundaire motor voor acceleratieverhogingen omdat ze geen luchtweerstand veroorzaken wanneer ze niet worden gebruikt, waardoor er geen ontkoppelaar nodig is.
Motor met gewikkelde rotor
De gewikkelde rotor synchrone motor (WRSM), ook bekend als extern bekrachtigde synchrone motor (EESM), vervangt de magneten op de rotor door spoelwikkelingen die kunnen worden gevoed met een gelijkstroom om een magnetisch veld op te wekken. Dit heeft het voordeel dat zowel het stator- als het rotorveld kunnen worden geregeld. De nadelen zijn de extra productiestappen die nodig zijn om windingen aan de rotor toe te voegen en de borstels die nodig zijn om het vermogen op de rotor over te brengen. Deze motoren hebben historisch gezien ook een slechtere vermogens- en koppeldichtheid, maar moderne versies zijn vergelijkbaar met PM-motoren.
Renault was een vroege voorstander van deze technologie in de Zoe, maar nu hebben BMW en Nissan dit ontwerp overgenomen en Tier 1 MAHLE heeft een versie gepresenteerd met draadloze energieoverdracht naar de rotor, waardoor de borstels wegvallen.
Geschakelde reluctantiemotor
Motoren met geschakelde reluctantie (SRM’s) hebben in potentieel de meest eenvoudige bouwvorm, omdat de rotor grotendeels van staal is gemaakt. Het staal van de rotor heeft een lage reluctantie (magnetische weerstand) in vergelijking met de lucht eromheen, dus de magnetische flux beweegt zich bij voorkeur door het staal in een poging de fluxweg te verkorten, waardoor de rotor roteert. Ondanks hun eenvoud en betrouwbaarheid worden SRM’s geplaagd door een lagere vermogens- en koppeldichtheid en andere problemen, zoals koppelrimpel en akoestische ruis.
Terwijl SRM’s grotendeels beperkt zijn gebleven tot meer industriële of zware toepassingen, wordt er nu hard gewerkt aan SRM’s voor elektrische voertuigen. Bedrijven zoals Turntide Technologies hebben meer rotor- en statorpolen toegevoegd en meer geavanceerde regelsystemen bedacht om traditionele problemen te overwinnen. Advanced Electric Machines uit het Verenigd Koninkrijk heeft een nieuw type motor ontwikkeld met een gesegmenteerde rotor die eenvoudig van constructie blijft, maar naar verluidt het akoestische geluid en de koppelrimpel elimineert en tegelijkertijd het vermogen en de koppeldichtheid verbetert; dit ontwerp staat centraal in een project samen met Bentley.
Alternatieve magnetische materialen
Terwijl veel OEM’s het gehalte aan zeldzame aardmetalen in hun motoren hebben verlaagd, wekte Tesla veel belangstelling door te zeggen dat zijn volgende generatie aandrijfsysteem een PM-motor zonder zeldzame aardmetalen zal zijn. Er lopen verschillende projecten om magneten zonder zeldzame aarden te ontwikkelen die kunnen concurreren op magnetische prestaties; deze bevinden zich in verschillende stadia van commercialisering.
Het probleem met alternatieve magnetische materialen is dat hun magnetische prestaties over het algemeen veel slechter zijn. Sommige fabrikanten die motoren met zeldzame aardmagneten en ferrietmagneten maken, laten bijvoorbeeld een vermogensvermindering van 50-70% zien voor de ferrietversie van dezelfde motor. Dit betekent dat er veel meer magnetisch materiaal en/of een veel grotere motor nodig is om de prestaties te evenaren.
Proterial heeft magneten ontwikkeld met magnetische eigenschappen die naar eigen zeggen “de hoogste niveaus onder de ferrietmagneten ter wereld leveren”. Het motorontwerp vereist slechts 20% meer magnetisch materiaal om de vermogensdichtheid van de motor gelijk te houden. Niron Magnetics is bezig met de ontwikkeling van ijzernitride magneten en de volgende generatie versies moeten gaan concurreren met de prestaties van neodymium. PASSENGER is een Europees project dat strontiumferriet en mangaanaluminiumkoolstoflegeringen ontwikkelt. Hoewel de inspanningen gaande zijn, liggen materialen met echt vergelijkbare prestaties nog ver in de toekomst; maar met andere veranderingen in het motorontwerp hoeft dat misschien niet.
Snelle geoptimaliseerde ferrietmotor
Hoewel het gebruik van ferrietmagneten de motorprestaties aanzienlijk zou verminderen, zou het optimaliseren van vele andere motoreigenschappen deze impact kunnen minimaliseren. Het Australische technologiebedrijf Ultimate Transmissions heeft een patent aangevraagd voor een ferrietmotorontwerp waarvan het denkt dat het een route zou kunnen zijn die Tesla zou kunnen nemen om zeldzame aardmetalen in een PM-motor te elimineren.
Het ontwerp maakt gebruik van veel grotere ferrietmagneten en hogere snelheden (20.000 tpm) om een vermogen te bereiken dat vergelijkbaar is met dat van een PM-motor met een vergelijkbare grootte en zeldzame aarden. Een van de uitdagingen is om de magneten effectief in de rotor te houden. Een mogelijke oplossing is om de rotor met koolstofvezel te omhullen (een technologie die Tesla al heeft gedemonstreerd in zijn Plaid-voertuigen). Een andere uitdaging is dat de ferrietmagneten verwarmd moeten worden voor een optimale werking, het tegenovergestelde probleem van neodymiummagneten, maar niet onhaalbaar.
Opgemerkt moet worden dat dit ontwerp zich nog in de simulatiefase bevindt en dat Tesla heel goed voor een andere benadering zou kunnen kiezen, zoals zijn eigen alternatieve magnetische materialen. Maar in simulaties heeft deze benadering een vergelijkbaar vermogen, lagere kosten en een lager gewicht laten zien ten koste van een iets lager koppel en een langere stack.
Conclusies voor de toekomst
Er is steeds meer aandacht, vooral buiten China, voor het verminderen van het gehalte aan zeldzame aardmetalen in elektromotoren. Er zijn verschillende strategieën, elk met zijn eigen afwegingen en kansen voor motorfabrikanten en materiaalleveranciers. IDTechEx voorspelt dat PM-motoren met zeldzame aardmetalen de dominante technologie zullen blijven, grotendeels dankzij de dominantie van China op de EV-markt en andere mijnen die wereldwijd online komen. Het bedrijf verwacht echter dat zeldzame aardmetalen vrije opties, waaronder de hierboven genoemde, bijna 30% van de markt zullen uitmaken in 2034.
IDTechEx’s nieuwste versie van “Electric Motors for Electric Vehicles 2024-2034” gaat diep in op motortechnologie, markttoepassing, materiaalgebruik en marktvoorspellingen. Het is gebaseerd op een grote database van voertuigen en motoren in verschillende voertuigsegmenten, waaronder auto’s, bussen, vrachtwagens, bestelwagens, 2-wielers, 3-wielers, microauto’s en vliegtuigen.
Ga voor meer informatie over dit rapport, inclusief downloadbare voorbeeldpagina’s, naar www.IDTechEx.com/motors .