YASA chce zbudować mocny silnik elektryczny bez metali ziem rzadkich

W wyścigu o lepsze samochody elektryczne większość uwagi skupia się na bateriach. Większa pojemność, szybsze ładowanie, niższa masa i nowe chemie ogniw regularnie trafiają na nagłówki. Tymczasem równie ważna rewolucja może zachodzić po drugiej stronie układu napędowego - w samym silniku elektrycznym.

Brytyjska firma YASA rozwija nową generację silników z osiowym strumieniem magnetycznym, których konstrukcja ma znacząco ograniczyć zależność od metali ziem rzadkich. Projekt Resilience obejmuje dwa kierunki: jeden redukujący wykorzystanie szczególnie problematycznych surowców oraz drugi, znacznie ambitniejszy, który ma całkowicie z nich zrezygnować.

Jeżeli uda się zachować przy tym wysoką sprawność, moc i niewielkie rozmiary, dla przemysłu motoryzacyjnego może to być zmiana równie istotna jak kolejna generacja akumulatorów.

Dlaczego metale ziem rzadkich są tak ważne w silnikach?

W wielu nowoczesnych silnikach elektrycznych stosuje się magnesy trwałe zawierające metale ziem rzadkich. Pozwalają one uzyskać silne pole magnetyczne przy małych wymiarach i masie.

Dzięki temu silnik może być kompaktowy, sprawny i bardzo mocny. To idealny zestaw cech w samochodzie elektrycznym, gdzie każdy kilogram i każdy centymetr przestrzeni mają znaczenie.

Problem zaczyna się po stronie surowców.

Wydobycie i przetwarzanie metali ziem rzadkich jest skoncentrowane w ograniczonej liczbie państw. Oznacza to ryzyko związane z wahaniami cen, ograniczeniami eksportowymi i napięciami geopolitycznymi.

Rosnąca produkcja samochodów elektrycznych tylko zwiększa presję na te łańcuchy dostaw.

Silnik elektryczny też ma swoją geopolitykę

Elektromobilność często przedstawiana jest jako sposób na ograniczenie zależności od ropy naftowej. To prawda, ale przejście na napęd elektryczny nie powoduje automatycznie zniknięcia problemu surowcowego.

Zmieniają się po prostu materiały, których potrzebuje przemysł.

Akumulatory wymagają litu, niklu, grafitu czy manganu. Silniki z magnesami trwałymi potrzebują między innymi neodymu, a w bardziej wymagających konstrukcjach także cięższych pierwiastków ziem rzadkich poprawiających odporność magnesów na wysoką temperaturę.

Dlatego producenci szukają rozwiązań pozwalających ograniczyć liczbę surowców krytycznych bez pogarszania osiągów samochodu.

I dokładnie tutaj wchodzi projekt YASA.

Project Resilience ma dwie ścieżki

YASA rozwija dwa uzupełniające się warianty technologii.

Pierwszy zakłada dalsze wykorzystanie magnesów trwałych, ale bez tak zwanych ciężkich metali ziem rzadkich. Są one stosowane między innymi do utrzymywania właściwości magnetycznych w wysokiej temperaturze.

To rozwiązanie można uznać za bardziej zachowawcze. Nie eliminuje całkowicie zależności od surowców krytycznych, ale może ją znacząco ograniczyć.

Drugi wariant jest bardziej radykalny.

Firma chce opracować silnik osiowy całkowicie pozbawiony metali ziem rzadkich. To znacznie trudniejsze zadanie, ponieważ nowa konstrukcja musi nadal oferować parametry wymagane przez współczesną motoryzację.

Nie wystarczy przecież stworzyć silnika, który działa. Musi jeszcze być lekki, kompaktowy, wydajny, trwały i możliwy do produkcji za rozsądne pieniądze.

Czym różni się silnik osiowy od typowego silnika?

Większość klasycznych silników elektrycznych stosowanych w motoryzacji wykorzystuje promieniowy strumień magnetyczny. W dużym uproszczeniu pole magnetyczne przebiega w nich promieniowo względem osi obrotu.

W konstrukcji axial flux, czyli z osiowym strumieniem magnetycznym, układ pola oraz geometria wirnika i stojana są inne.

Pozwala to budować silniki bardziej płaskie i osiągać bardzo wysoką gęstość mocy.

To właśnie ten rodzaj konstrukcji jest specjalnością YASA. Firma od lat rozwija silniki osiowe przeznaczone między innymi do samochodów o wysokich osiągach.

Ich zaletą może być bardzo dobry stosunek mocy i momentu obrotowego do masy.

Mniejszy silnik, duża moc

YASA podkreśla, że technologia axial flux pozwala znacząco ograniczyć wielkość i masę napędu w porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami.

Według producenta jego jednostki mogą być nawet około 50 proc. mniejsze i lżejsze od typowych rozwiązań stosowanych w samochodach elektrycznych, przy bardzo wysokiej gęstości mocy.

To ważne nie tylko dla samochodów sportowych.

Mniejszy i lżejszy silnik oznacza więcej miejsca na baterię, pasażerów albo bagaż. Ograniczenie masy może także poprawić zużycie energii i zasięg auta.

W przypadku hybryd kompaktowe rozmiary są jeszcze ważniejsze, ponieważ napęd elektryczny trzeba zmieścić obok silnika spalinowego, przekładni i pozostałych elementów układu.

Jedna technologia stojana, różne wirniki

Oba rozwijane warianty mają korzystać ze wspólnej technologii stojana YASA.

To może pozwolić firmie stworzyć bardziej modułową rodzinę silników. Zamiast projektować całkowicie osobną jednostkę dla każdego zastosowania, producent mógłby dobierać różny typ wirnika do wspólnej bazy konstrukcyjnej.

Ma to sporo sensu.

Samochód sportowy ma inne wymagania niż rodzinny crossover. W pierwszym najważniejsza może być maksymalna gęstość mocy i niska masa. W drugim większe znaczenie będą miały koszt, trwałość i łatwa produkcja na dużą skalę.

Jeszcze inaczej wygląda sytuacja w hybrydach, samochodach dostawczych czy zastosowaniach przemysłowych.

Modułowa architektura może ułatwić dopasowanie technologii do różnych segmentów rynku.

Bez metali ziem rzadkich nie oznacza automatycznie lepiej

Eliminacja surowców krytycznych brzmi bardzo atrakcyjnie, ale technicznie nie jest darmowa.

Metale ziem rzadkich stosuje się dlatego, że mają wyjątkowo dobre właściwości magnetyczne. Ich usunięcie oznacza konieczność znalezienia innego sposobu na uzyskanie odpowiednio silnego pola.

Alternatywne konstrukcje mogą wymagać większej ilości miedzi, innej geometrii, bardziej zaawansowanego sterowania albo poniesienia strat w sprawności.

Dlatego prawdziwym sukcesem nie będzie samo stworzenie silnika bez metali ziem rzadkich.

Sukcesem będzie stworzenie takiego silnika bez istotnego pogorszenia parametrów.

I właśnie to jest najtrudniejszą częścią projektu.

Temperatura to jeden z kluczowych problemów

Silniki o dużej mocy generują dużo ciepła. W samochodzie elektrycznym szczególnie wymagające są momenty mocnego przyspieszania, jazdy z dużą prędkością albo intensywnej pracy napędu przez długi czas.

Magnesy trwałe muszą zachowywać swoje właściwości także przy wysokiej temperaturze.

Ciężkie metale ziem rzadkich pomagają poprawić odporność termiczną magnesów. Jeżeli YASA chce z nich zrezygnować, musi osiągnąć podobny efekt poprzez inne materiały, konstrukcję i chłodzenie.

To pokazuje, dlaczego sprawa jest bardziej skomplikowana niż prosta zamiana jednego surowca na drugi.

Hybrydy również mogą skorzystać

Projekt ma dotyczyć nie tylko samochodów całkowicie elektrycznych, ale także hybryd.

W takich pojazdach kompaktowy silnik osiowy może być szczególnie interesujący, ponieważ pozwala wbudować napęd elektryczny tam, gdzie przestrzeń jest mocno ograniczona.

Wysoka gęstość mocy oznacza możliwość uzyskania dużego wsparcia elektrycznego bez ogromnego silnika i ciężkiego układu.

Jeżeli jednocześnie zmniejszy się zależność od metali ziem rzadkich, technologia może być łatwiejsza do skalowania na znacznie większą liczbę pojazdów.

Europa chce ograniczać zależność od surowców krytycznych

Projekt YASA wpisuje się w szerszy problem europejskiego przemysłu.

Europa ma silny sektor motoryzacyjny, ale znacząca część surowców i komponentów potrzebnych do produkcji samochodów elektrycznych pochodzi spoza kontynentu.

To dotyczy zarówno baterii, jak i magnesów czy materiałów potrzebnych do ich produkcji.

Dlatego rozwój napędów wykorzystujących mniej surowców krytycznych ma znaczenie nie tylko środowiskowe, ale także strategiczne.

Im mniej komponentów zależnych od kilku dostawców na świecie, tym bardziej odporny jest cały przemysł na kryzysy, konflikty handlowe i ograniczenia eksportowe.

Silnik elektryczny będzie równie ważny jak bateria

Przez ostatnie lata można było odnieść wrażenie, że przyszłość elektromobilności zależy niemal wyłącznie od akumulatorów.

To tylko część prawdy.

Równie ważne są elektronika mocy, falowniki, układy chłodzenia, silniki, materiały i całe oprogramowanie sterujące napędem.

Zmniejszenie masy silnika może poprawić zasięg. Lepsza sprawność ogranicza zużycie energii. Tańsza konstrukcja pozwala obniżyć cenę samochodu. A ograniczenie wykorzystania metali ziem rzadkich zmniejsza ryzyko surowcowe.

Każdy z tych elementów dokłada kilka procent poprawy. A w nowoczesnym samochodzie elektrycznym kilka procent potrafi być bardzo dużo.

Co to oznacza dla branży elektrycznej?

Rozwój silników osiowych może mieć znaczenie znacznie wykraczające poza samochody osobowe.

Technologia o dużej gęstości mocy może potencjalnie znaleźć zastosowanie w maszynach przemysłowych, lotnictwie, robotyce, pojazdach użytkowych i specjalistycznych napędach elektrycznych.

Dla inżynierów elektryków oznacza to dalszy rozwój układów o coraz większej mocy przy coraz mniejszej masie.

Wraz z tym rosną wymagania wobec falowników, chłodzenia, przewodów, izolacji, sterowania i diagnostyki.

Nowoczesny silnik elektryczny nie jest już prostą maszyną podłączoną do źródła zasilania. Jest częścią bardzo precyzyjnie kontrolowanego układu energoelektronicznego.

Czy YASA rzeczywiście zmieni rynek?

Na tym etapie warto zachować ostrożność.

Projekt jest w fazie rozwoju, a o jego znaczeniu zdecydują końcowe parametry: sprawność, trwałość, cena, możliwości produkcyjne i zachowanie silnika w realnych warunkach.

Branża technologiczna zna wiele świetnych prototypów, które nigdy nie wyszły poza laboratorium albo okazały się zbyt drogie do produkcji.

YASA ma jednak przewagę w postaci doświadczenia z silnikami osiowymi i technologii, która już wcześniej znalazła zastosowanie w wymagających napędach.

Dlatego warto obserwować Project Resilience znacznie uważniej niż typową futurystyczną zapowiedź bez działającej bazy technologicznej.

Mniej surowców może być kolejnym etapem rozwoju elektromobilności

Elektromobilność dojrzewa.

Pierwszy etap koncentrował się na tym, czy samochód elektryczny w ogóle może zaoferować przyzwoity zasięg i osiągi. Kolejny skupia się na kosztach, szybkości ładowania i trwałości baterii.

Teraz coraz większego znaczenia nabiera pytanie: z czego właściwie te samochody będziemy produkować?

Silnik elektryczny pozbawiony metali ziem rzadkich nie rozwiąże wszystkich problemów łańcucha dostaw. Może jednak usunąć jeden z ważnych punktów zależności.

Jeśli YASA zdoła połączyć wysoką gęstość mocy silników osiowych z bardziej dostępnymi materiałami, powstanie technologia ciekawa nie tylko dla producentów samochodów.

Bo następna generacja napędów elektrycznych nie musi być po prostu mocniejsza.

Może być również lżejsza, tańsza i znacznie mniej zależna od tego, kto kontroluje kopalnie oraz rafinerie surowców po drugiej stronie świata.

Materiał współtworzony z AI.