4 วิธีกำจัดแร่หายากในมอเตอร์ไฟฟ้า และสิ่งที่คุณอาจไม่เคยรู้มาก่อน

แร่หายากที่มีการนำไปใช้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ต่างๆ เป็นสิ่งที่ได้รับความสนใจตลอดหลายปีที่ผ่านมา แต่ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งตามการเติบโตของยานยนต์ไฟฟ้า (EV) ประเด็นนี้จึงถูกหยิบยกขึ้นมาพิจารณาก่อน โดย 82% ของตลาดรถยนต์ไฟฟ้าในปี พ.ศ. 2565 ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าที่มีพื้นฐานของแม่เหล็กถาวรที่ใช้แร่หายาก ขณะที่ประเทศจีนเป็นผู้ควบคุมการจัดหาแร่หายากเป็นส่วนใหญ่ และด้วยเหตุนี้จึงนำไปสู่ความผันผวนด้านราคาอย่างมากในช่วงที่ผ่านมา โดยมีราคาพุ่งขึ้นเมื่อปี 2554/2555 และเพิ่มขึ้นอย่างมากระหว่างปี 2564-2565 สิ่งสำคัญก็คือ เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ พบว่าบางวิธีสามารถนำมาใช้เพื่อกำจัดการใช้แร่หายากที่มีอยู่ในมอเตอร์ไฟฟ้าได้

อย่างไรก็ตาม การใช้เทคโนโลยีอื่นก็มีทั้งข้อดีและข้อเสีย ดังข้อสรุปจากการรายงานล่าสุดของ IDTechEx เรื่อง “Electric Motors for Electric Vehicles 2024-2034” ที่ได้วิเคราะห์เทคโนโลยีมอเตอร์ต่างๆ ทั้งด้านประสิทธิภาพ วัสดุ การนำไปใช้ของตลาด และศักยภาพในอนาคต

ก่อนอื่นขออธิบายโครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้าโดยสังเขป ชิ้นส่วนที่อยู่นิ่ง เรียกว่า ‘สเตเตอร์’ จะมีขดลวดโลหะ (โดยทั่วไป คือ ลวดทองแดง) มีไว้สำหรับป้อนกระแสไฟฟ้าเขาไปเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา จากนั้นสนามแม่เหล็กจะหมุนขับส่วนที่เป็นตัวหมุนของมอเตอร์ ที่เรียกว่า ‘โรเตอร์’ ซึ่งภายในของมอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวรที่ใช้แร่หายากนั้น แม่เหล็กถาวร PM (permanent magnet) จะอยู่ที่โรเตอร์

1. มอเตอร์แบบเหนี่ยวนำ

มอเตอร์แบบเหนี่ยวนำ (induction motor) (หรือมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส; asynchronous motor) สนามแม่เหล็กหมุนที่สร้างขึ้นโดยสเตเตอร์จะเหนี่ยวนำกระแสบนโรเตอร์ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กดึงดูด/ผลักออกจากสนามแม่เหล็กในแนวรัศมีของขดลวดสเตเตอร์ โดยที่โรเตอร์ของมอเตอร์ชนิดนี้จะใช้แท่งทองแดงหรือแท่งอะลูมิเนียมหรือพันขดลวดบนโรเตอร์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์เหล่านี้จะให้กำลังสูงสุดและความหนาแน่นของแรงบิดที่ดีในช่วงเวลาสั้นๆ แต่ก็มีความท้าทายอยู่ที่การจัดการกับความร้อนที่เกิดขึ้น และมักจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าตัวเลือกมอเตอร์ที่ใช้ PM

มอเตอร์เหนี่ยวนำเป็นชนิดมอเตอร์ที่ใช้กันโดยทั่วไปในตลาด EV โดยเป็นตัวเลือกหลักของ Tesla จนกระทั่งมีการเปิดตัว Model 3 (ซึ่งมีการปรับแบบไปใช้ PM) ขณะที่ผู้สนับสนุนในตลาดรถยนต์บางรายยังคงเหมือนเดิม เช่น Audi และ Mercedes อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันนี้มอเตอร์เหนี่ยวนำส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้เป็นมอเตอร์ตัวรอง โดยใช้สำหรับการเร่งความเร็ว เนื่องจากมอเตอร์ชนิดนี้ไม่สร้างแรงต้านเมื่อไม่ได้ใช้งาน ทำให้ไม่ต้องใช้อุปกรณ์แยกสัญญาณ

2. มอเตอร์แบบโรเตอร์พันขดลวด

มอเตอร์ซิงโครนัสแบบโรเตอร์พันขดลวด (WRSM; wound rotor synchronous motor) หรือเรียกอีกอย่างว่า มอเตอร์ซิงโครนัสแบบกระตุ้นภายนอก (EESM; externally excited synchronous motor) จะมีโรเตอร์ที่พันด้วยขดลวดที่สามารถป้อนไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแทนการใช้แม่เหล็กถาวร วิธีการนี้มีข้อได้เปรียบในการควบคุมทั้งสนามแม่เหล็กที่สเตเตอร์และโรเตอร์ แต่มีข้อเสียคือ มีขั้นตอนการผลิตเพิ่มขึ้นจากการเพิ่มขดลวดให้กับโรเตอร์ และจำเป็นต้องใช้แปรง (brushes) ในการถ่ายโอนกำลังไฟฟ้าไปยังโรเตอร์ ซึ่งในอดีตมอเตอร์เหล่านี้มีกำลังและความหนาแน่นของแรงบิดที่ต่ำกว่า แต่ในรุ่นใหม่ที่ทันสมัยสามารถเทียบได้กับมอเตอร์ที่ใช้ PM

Renault เป็นผู้สนับสนุนเทคโนโลยีนี้ในยุคแรกๆ ใช้กับยานยนต์ไฟฟ้าในรุ่น Zoe แต่ตอนนี้ ยังมี BMW และ Nissan ได้ปรับการออกแบบมาใช้ตามหลักการนี้ และผู้ส่งมอบชิ้นส่วนระดับ 1 MAHLE ยังเสนอมอเตอร์รุ่นที่มีการถ่ายโอนกำลังแบบไร้สายไปยังโรเตอร์ โดยไม่ต้องใช้แปรง

3. มอเตอร์แบบสวิตช์รีลักแตนซ์

มอเตอร์แบบสวิตช์รีลักแตนซ์ (SRM; switched reluctance motors) อาจเป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดในการสร้าง ซึ่งโรเตอร์ส่วนใหญ่สร้างจากเหล็กกล้า และเหล็กของโรเตอร์นั้นมีค่ารีลักแตนซ์ต่ำเมื่อเทียบกับอากาศที่อยู่โดยรอบ ดังนั้นฟลักซ์แม่เหล็กจึงเคลื่อนผ่านเหล็กกล้าได้ดีกว่า พร้อมกันนั้นก็มีความพยายามทำให้เส้นทางฟลักซ์สั้นลง การหมุนของโรเตอร์ดังกล่าว แม้จะมีความเรียบง่ายและความน่าเชื่อถือ แต่โดยทั่วไปแล้ว SRM มักจะมีปัญหาเกี่ยวกับกำลังและความหนาแน่นของแรงบิดที่ลดลง พร้อมกับปัญหาอื่นๆ ซึ่งรวมถึงแรงบิดกระเพื่อม และเกิดเสียงรบกวน

แม้ว่า SRM ส่วนใหญ่จะมีการใช้งานในวงจำกัดเฉพาะอุตสาหกรรมหรืองานหนัก แต่ก็มีความพยายามในระดับที่สำคัญของการพัฒนาไปสู่การใช้เพื่อ EV โดยบริษัทต่างๆ เช่น Turntide Technologies ใช้เทคนิคการเพิ่มจำนวนขั้วแม่เหล็ก (pole) ที่โรเตอร์และสเตเตอร์ให้มากขึ้น และสร้างระบบควบคุมที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นเพื่อเอาชนะปัญหาดั้งเดิมของมอเตอร์ชนิดนี้ ขณะที่บริษัท Advanced Electric Machines ในสหราชอาณาจักร ได้พัฒนามอเตอร์ชนิดใหม่โดยการแบ่งส่วนโรเตอร์ (segmented rotor) ซึ่งยังคงมีโครงสร้างที่เรียบง่าย แต่เป็นที่กล่าวขานกันว่า สามารถขจัดเสียงรบกวนและการกระเพื่อมของแรงบิด พร้อมกันนั้นยังเพิ่มกำลังและความหนาแน่นของแรงบิดให้มากขึ้น ซึ่งการออกแบบดังกล่าว ยังถือเป็นศูนย์กลางของโครงการที่ทำควบคู่ไปกับ Bentley

4. วัสดุแม่เหล็กทางเลือก

ผู้ผลิต OEM หลายรายได้ลดปริมาณแร่หายากในมอเตอร์ของตนลงเรื่อยๆ ในขณะที่ Tesla ก็ให้ความสนใจอย่างมาก โดยกล่าวว่า ระบบขับเคลื่อนรุ่นต่อไปจะเป็นมอเตอร์แบบ PM ที่ไม่มีแร่หายาก โดยมีหลายโครงการที่กำลังดำเนินอยู่เพื่อพัฒนาแม่เหล็กที่ปราศจากแร่หายากให้สามารถแข่งขันกันด้วยสมรรถนะทางแม่เหล็กได้ ซึ่งสิ่งเหล่านี้มีระดับที่แตกต่างกันไปตามวิวัฒนาการทางการค้า

สิ่งที่เป็นปัญหาสำหรับวัสดุแม่เหล็กทางเลือก คือ สมรรถนะทางแม่เหล็กที่แย่กว่าโดยทั่วไปมาก มีตัวอย่างของผู้ผลิตบางรายที่สร้างมอเตอร์แบบแม่เหล็กเฟอร์ไรต์และแร่หายาก ได้แสดงให้เห็นว่า มอเตอร์มีกำลังตกลงไป 50-70% เมื่อใช้เฟอร์ไรต์เป็นทางเลือกโดยที่เป็นมอเตอร์ขนาดเดียวกัน นั่นหมายความว่า จะต้องใช้วัสดุแม่เหล็กมากขึ้น และ/หรือ ทำให้มอเตอร์ใหญ่กว่านั้นมาก เพื่อให้ได้สมรรถนะตามที่ต้องการ

บริษัท Proterial ได้พัฒนาแม่เหล็กที่มีสมบัติทางแม่เหล็กตามที่พวกเขาระบุว่า “ส่งมอบแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ในระดับสูงสุดของโลก” ซึ่งการออกแบบมอเตอร์นั้นต้องการวัสดุแม่เหล็กเพิ่มขึ้นเพียง 20% เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของกำลังมอเตอร์เท่าเดิม อีกราย คือ Niron Magnetics กำลังพัฒนาแม่เหล็กไอร์ออนไนไตรด์ (iron nitride) และแม่เหล็กในรุ่นถัดไปที่วางตัวเอาไว้แข่งกับสมรรถนะของนีโอไดเมียม (neodymium) ในขณะที่ PASSENGER ซึ่งเป็นโครงการของยุโรปที่กำลังพัฒนาโลหะเจือสตรอนเทียมเฟอร์ไรต์และแมงกานีสอะลูมิเนียมคาร์บอน

ท่ามกลางความพยายามที่กำลังดำเนินอยู่นั้น วัสดุที่มีสมรรถนะเทียบเท่าอย่างแท้จริงยังคงอยู่บนเส้นทางสู่อนาคต อย่างไรก็ตาม หากการเปลี่ยนแปลงอย่างอื่นที่มีผลต่อการออกแบบมอเตอร์แล้ว พวกเขาอาจไม่จำเป็นต้องทำก็เป็นได้

5. มอเตอร์เฟอร์ไรต์ความเร็วสูง

แม้ว่าการใช้แม่เหล็กเฟอร์ไรต์จะลดสมรรถนะของมอเตอร์ลงอย่างมาก การปรับสมบัติอื่นๆ ของมอเตอร์ให้เหมาะสมสามารถลดผลกระทบนี้ได้ บริษัทเทคโนโลยีของออสเตรเลีย Ultimate Transmissions ได้ยื่นจดสิทธิบัตรการออกแบบมอเตอร์เฟอร์ไรต์ (ferrite motor) ซึ่งเชื่อว่าอาจเป็นเส้นทางหนึ่งที่ Tesla สามารถนำไปใช้เพื่อกำจัดแร่หายากในมอเตอร์ PM ได้

การออกแบบมอเตอร์โดยใช้แม่เหล็กเฟอร์ไรต์ให้มีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมาก และให้มีความเร็วรอบสูงขึ้น (20,000 รอบต่อนาที) เพื่อให้ได้กำลังเทียบเท่ากับมอเตอร์ PM ที่ใช้แร่หายากด้วยขนาดที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งความท้าทายประการหนึ่งมาจากการบรรจุแม่เหล็กไว้ในโรเตอร์อย่างมีประสิทธิผล ทางออกที่เป็นไปได้คือ การใช้คาร์บอนไฟเบอร์หุ้มโรเตอร์เอาไว้ (เป็นเทคโนโลยีที่ Tesla ได้แสดงให้เห็นแล้วในยานยนต์ Plaid) ความท้าทายอีกประการหนึ่ง คือ แม่เหล็กเฟอร์ไรต์จะต้องได้รับความร้อนเพื่อให้การทำงานมีประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งเป็นปัญหาตรงกันข้ามกับแม่เหล็กนีโอไดเมียม แต่ก็ไม่มีทางทำได้

มีข้อควรสังเกตอีกว่า การออกแบบนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการจำลองแบบ และ Tesla อาจหันไปใช้วิธีอื่น เช่น วัสดุแม่เหล็กทางเลือกของตัวเอง แต่ในการจำลองแบบตามวิธีนี้ได้แสดงให้เห็นถึงระดับกำลังที่ใกล้เคียงกัน พร้อมทั้งต้นทุนที่ลดลง และน้ำหนักที่ลดลง โดยที่แรงบิดลดลงเล็กน้อยและสแต็กที่ยาวขึ้น

ข้อสรุปสำหรับอนาคต

สิ่งที่มุ่งเน้นกันมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งนอกประเทศจีน คือ การลดปริมาณแร่หายากในมอเตอร์ไฟฟ้า โดยมีหลากหลายกลยุทธ์ ซึ่งแต่ละแบบมีการแลกเปลี่ยนและสร้างโอกาสระหว่างกันสำหรับผู้ผลิตมอเตอร์และผู้จัดหาวัสดุ โดย IDTechEx ได้คาดการณ์ว่า มอเตอร์ PM ที่ใช้แร่หายาก จะยังคงเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่น อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกของการปราศจากแร่หายาก รวมทั้งประเด็นต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้น คาดว่าจะมีสัดส่วนเกือบ 30% ของตลาดในปี 2577

ที่มา: IDTechEx