Tesla vừa thông báo rằng thế hệ động cơ nam châm vĩnh cửu tiếp theo được cấu hình trên xe điện của họ sẽ hoàn toàn không sử dụng vật liệu đất hiếm!
Khẩu hiệu của Tesla: Nam châm vĩnh cửu đất hiếm bị loại bỏ hoàn toàn
điều này có thật không?
Trên thực tế, năm 2018, 93% xe điện trên thế giới được trang bị hệ truyền động dẫn động bằng động cơ nam châm vĩnh cửu làm từ đất hiếm. Năm 2020, 77% thị trường xe điện toàn cầu sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu. Các nhà quan sát ngành công nghiệp xe điện tin rằng vì Trung Quốc đã trở thành một trong những thị trường xe điện lớn nhất và Trung Quốc đã kiểm soát phần lớn nguồn cung đất hiếm nên khó có khả năng Trung Quốc sẽ chuyển từ máy nam châm vĩnh cửu. Nhưng tình hình của Tesla là gì và hãng nghĩ thế nào về nó? Năm 2018, Tesla lần đầu tiên sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhúng trên Model 3, trong khi vẫn giữ lại động cơ cảm ứng ở trục trước. Hiện tại, Tesla sử dụng hai loại động cơ trên xe điện Model S và X của mình, một loại là động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm và loại còn lại là động cơ cảm ứng. Động cơ cảm ứng có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn và động cơ cảm ứng có nam châm vĩnh cửu hiệu quả hơn và có thể cải thiện phạm vi lái xe thêm 10%.
Nguồn gốc của động cơ nam châm vĩnh cửu Nói đến đây phải kể đến động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm ra đời như thế nào. Mọi người đều biết rằng từ trường tạo ra điện và điện tạo ra từ tính, và việc tạo ra động cơ không thể tách rời khỏi từ trường. Vì vậy, có hai cách để tạo ra từ trường: kích thích và nam châm vĩnh cửu. Động cơ DC, động cơ đồng bộ và nhiều động cơ đặc biệt thu nhỏ đều cần có từ trường DC. Phương pháp truyền thống là sử dụng cuộn dây có điện (gọi là cực từ) có lõi sắt để tạo ra từ trường, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là dòng điện bị tổn hao năng lượng trong điện trở cuộn dây (sinh nhiệt), do đó làm giảm hiệu suất động cơ và tăng chi phí vận hành. Lúc này người ta nghĩ – nếu có từ trường vĩnh cửu và điện không còn được sử dụng để tạo ra từ tính thì chỉ số kinh tế của động cơ sẽ được cải thiện. Vì vậy vào khoảng những năm 1980, nhiều loại vật liệu nam châm vĩnh cửu đã xuất hiện và sau đó chúng được ứng dụng vào động cơ, chế tạo ra động cơ nam châm vĩnh cửu.
Động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm dẫn đầu Vậy vật liệu nào có thể làm ra nam châm vĩnh cửu? Nhiều cư dân mạng cho rằng chỉ có một loại tài liệu. Trên thực tế, có 4 loại nam châm chính có thể tạo ra từ trường vĩnh cửu, đó là: gốm (ferit), nhôm coban niken (AlNiCo), samarium coban (SmCo) và boron sắt neodymium (NdFeB). Các hợp kim nam châm neodymium đặc biệt bao gồm terbium và dysprosium đã được phát triển với nhiệt độ Curie cao hơn, cho phép chúng chịu được nhiệt độ cao hơn lên tới 200°C.
Trước những năm 1980, vật liệu nam châm vĩnh cửu chủ yếu là nam châm vĩnh cửu ferit và nam châm vĩnh cửu alnico, nhưng lực dư của các vật liệu này không mạnh lắm nên từ trường sinh ra tương đối yếu. Không những vậy, lực cưỡng bức của hai loại nam châm vĩnh cửu này còn thấp, khi gặp từ trường bên ngoài rất dễ bị ảnh hưởng và bị khử từ, điều này hạn chế sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu. Hãy nói về nam châm đất hiếm. Trên thực tế, nam châm đất hiếm được chia thành hai loại nam châm vĩnh cửu: đất hiếm nhẹ và đất hiếm nặng. Dự trữ đất hiếm toàn cầu bao gồm khoảng 85% đất hiếm nhẹ và 15% đất hiếm nặng. Loại thứ hai cung cấp nam châm định mức nhiệt độ cao phù hợp cho nhiều ứng dụng ô tô. Sau những năm 1980, vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm hiệu suất cao-nam châm vĩnh cửu NdFeB xuất hiện. Những vật liệu như vậy có độ dư cao hơn, cũng như độ kháng từ và sản sinh năng lượng cao hơn, nhưng nhìn chung nhiệt độ Curie thấp hơn so với các vật liệu thay thế. Động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm được làm từ nó có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, không có cuộn dây kích thích nên không bị mất năng lượng kích thích; độ thấm từ tương đối gần với độ thấm từ của máy khí, làm giảm độ tự cảm của động cơ và cải thiện hệ số công suất. Chính vì mật độ công suất và hiệu suất tốt hơn của động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm nên có nhiều kiểu dáng động cơ truyền động điện khác nhau và phổ biến nhất là động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Tesla muốn thoát khỏi Phụ thuộc vào đất hiếm Trung Quốc?
Mọi người đều biết rằng Trung Quốc cung cấp phần lớn tài nguyên đất hiếm trên thế giới. Hoa Kỳ cũng đã chứng kiến điều này trong những năm gần đây. Họ không muốn bị Trung Quốc hạn chế trong việc cung cấp đất hiếm. Vì vậy, sau khi nhậm chức, Biden đã cố gắng tăng cường tham gia vào chuỗi cung ứng đất hiếm. Đó là một trong những ưu tiên của đề xuất cơ sở hạ tầng trị giá 2 nghìn tỷ USD. MP Materials, công ty đã mua một mỏ đã đóng cửa trước đó ở California vào năm 2017, đang cạnh tranh để khôi phục chuỗi cung ứng đất hiếm của Hoa Kỳ, tập trung vào neodymium và praseodymium, đồng thời hy vọng trở thành nhà sản xuất có chi phí thấp nhất. Lynas đã nhận được tài trợ của chính phủ để xây dựng một nhà máy chế biến đất hiếm nhẹ ở Texas và có một hợp đồng khác về cơ sở tách đất hiếm nặng ở Texas. Mặc dù Hoa Kỳ đã nỗ lực rất nhiều nhưng những người trong ngành tin rằng trong ngắn hạn, đặc biệt là về mặt chi phí, Trung Quốc sẽ duy trì vị thế thống trị về nguồn cung đất hiếm và Hoa Kỳ hoàn toàn không thể lay chuyển được.
Có lẽ Tesla đã nhìn thấy điều này và họ đã cân nhắc sử dụng nam châm vĩnh cửu hoàn toàn không sử dụng đất hiếm làm động cơ. Đây là một giả định táo bạo, hay một trò đùa, chúng ta vẫn chưa biết. Nếu Tesla từ bỏ động cơ nam châm vĩnh cửu và quay trở lại sử dụng động cơ cảm ứng thì đây dường như không phải là phong cách làm việc của họ. Và Tesla muốn sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu và từ bỏ hoàn toàn nam châm vĩnh cửu đất hiếm, vì vậy có hai khả năng: một là có kết quả đổi mới trên nam châm vĩnh cửu gốm (ferite) và AlNiCo nguyên bản, Thứ hai là nam châm vĩnh cửu làm bằng các vật liệu hợp kim không phải đất hiếm khác cũng có thể duy trì tác dụng tương tự như nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Nếu không phải hai thứ này thì Tesla có thể đang chơi đùa với các ý tưởng. Da Vukovich, chủ tịch của Alliance LLC, từng nói rằng “do đặc tính của nam châm đất hiếm nên không có vật liệu nam châm nào khác có thể sánh được với hiệu suất cường độ cao của chúng. Bạn thực sự không thể thay thế nam châm đất hiếm được”.
Bất kể Tesla đang chơi đùa với các khái niệm hay thực sự muốn thoát khỏi sự phụ thuộc vào nguồn cung đất hiếm của Trung Quốc về động cơ nam châm vĩnh cửu, người biên tập tin rằng tài nguyên đất hiếm rất quý giá và chúng ta nên phát triển chúng một cách hợp lý và trả nhiều tiền hơn quan tâm đến thế hệ tương lai. Đồng thời, các nhà nghiên cứu cần tăng cường nỗ lực nghiên cứu. Chưa nói công thức của Tesla có tốt hay không, ít nhất nó đã cho chúng ta một số gợi ý và cảm hứng.
