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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22114号 / 理博第4541号 / 新制||理||1652(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 寺西 利治, 教授 島川 祐一, 教授 若宮 淳志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples e rápida. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável e uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro para a medição da intensidade do campo magnético no entreferro. Como introdução se apresenta o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo e em relação aos ímãs permanentes, sua história, os principais tipos, sua importância e suas aplicações principais. Os resultados teóricos e experimentais são comparados a resultados certificados, validando o método como proposto. / Determining the main magnetic properties of a permanent magnet usually requires sophisticated and expensive measurement setups. This work analyses and proposes a low-cost system to characterize Rare Earth permanent magnets at ambient temperature with easy and fast implementation. It consists of a magnetic circuit with the permanent magnet under test, appropriate pole pieces, a variable air gap and a Hall Effect probe with its respective Gaussmeter. As an introduction, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism and its history, the main types of permanent magnets, their importance and applications. The theoretical and experimental results are compared to certified ones, validating so the method as proposed.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples e rápida. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável e uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro para a medição da intensidade do campo magnético no entreferro. Como introdução se apresenta o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo e em relação aos ímãs permanentes, sua história, os principais tipos, sua importância e suas aplicações principais. Os resultados teóricos e experimentais são comparados a resultados certificados, validando o método como proposto. / Determining the main magnetic properties of a permanent magnet usually requires sophisticated and expensive measurement setups. This work analyses and proposes a low-cost system to characterize Rare Earth permanent magnets at ambient temperature with easy and fast implementation. It consists of a magnetic circuit with the permanent magnet under test, appropriate pole pieces, a variable air gap and a Hall Effect probe with its respective Gaussmeter. As an introduction, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism and its history, the main types of permanent magnets, their importance and applications. The theoretical and experimental results are compared to certified ones, validating so the method as proposed.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples e rápida. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável e uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro para a medição da intensidade do campo magnético no entreferro. Como introdução se apresenta o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo e em relação aos ímãs permanentes, sua história, os principais tipos, sua importância e suas aplicações principais. Os resultados teóricos e experimentais são comparados a resultados certificados, validando o método como proposto. / Determining the main magnetic properties of a permanent magnet usually requires sophisticated and expensive measurement setups. This work analyses and proposes a low-cost system to characterize Rare Earth permanent magnets at ambient temperature with easy and fast implementation. It consists of a magnetic circuit with the permanent magnet under test, appropriate pole pieces, a variable air gap and a Hall Effect probe with its respective Gaussmeter. As an introduction, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism and its history, the main types of permanent magnets, their importance and applications. The theoretical and experimental results are compared to certified ones, validating so the method as proposed.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras e Cerâmicos à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples. Para isso, o Histerisímetro de Entreferro Variável, HEV, é concebido e estudado. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável, bobinas de magnetização e desmagnetização de baixa potência, uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro, um fluxímetro com sua bobina exploradora, o circuito eletrônico de comando das bobinas de excitação e a interface a um sistema de instrumentação virtual. Para demonstrar os desenvolvimentos do trabalho são apresentados o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo em relação aos ímãs permanentes, instrumentação necessária para sua caracterização, a concepção e modelagem do HEV, os resultados dos testes realizados e uma abrangente análise de suas incertezas. Com isso é demonstrado que o Histerisímetro de Entreferro Variável é uma alternativa de caracterização de ímãs permanentes com desmagnetização linear com incertezas dentro do que é definido pela norma. / The determination of the main magnetic properties of permanent magnets usually requires sophisticated and expensive measuring systems. This work analyses and proposes a low-cost system for the characterization of Rare Earth and Ceramics permanent magnets at room temperature with simpler implementation. It comprehends a magnetic circuit with the permanent magnet under test, a steel yoke with appropriate pole pieces, a variable air gap, low power magnetization and demagnetization coils, a Hall Effect probe with its respective gaussmeter, a fluxmeter with its own search coil, a coil driver electronic circuit and a virtual instrumentation system (computer plus graphical interface software). To demonstrate the developments of the work, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism related to permanent magnets, the instrumentation required for its characterization, the HEV design and modeling, the results of the tests and a comprehensive analysis of related uncertainties. Thus, it is shown that the Variable Gap Hysteresimeter is an alternative characterization system for linear demagnetization permanent magnets with uncertainties within those defined by the standards.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras e Cerâmicos à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples. Para isso, o Histerisímetro de Entreferro Variável, HEV, é concebido e estudado. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável, bobinas de magnetização e desmagnetização de baixa potência, uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro, um fluxímetro com sua bobina exploradora, o circuito eletrônico de comando das bobinas de excitação e a interface a um sistema de instrumentação virtual. Para demonstrar os desenvolvimentos do trabalho são apresentados o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo em relação aos ímãs permanentes, instrumentação necessária para sua caracterização, a concepção e modelagem do HEV, os resultados dos testes realizados e uma abrangente análise de suas incertezas. Com isso é demonstrado que o Histerisímetro de Entreferro Variável é uma alternativa de caracterização de ímãs permanentes com desmagnetização linear com incertezas dentro do que é definido pela norma. / The determination of the main magnetic properties of permanent magnets usually requires sophisticated and expensive measuring systems. This work analyses and proposes a low-cost system for the characterization of Rare Earth and Ceramics permanent magnets at room temperature with simpler implementation. It comprehends a magnetic circuit with the permanent magnet under test, a steel yoke with appropriate pole pieces, a variable air gap, low power magnetization and demagnetization coils, a Hall Effect probe with its respective gaussmeter, a fluxmeter with its own search coil, a coil driver electronic circuit and a virtual instrumentation system (computer plus graphical interface software). To demonstrate the developments of the work, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism related to permanent magnets, the instrumentation required for its characterization, the HEV design and modeling, the results of the tests and a comprehensive analysis of related uncertainties. Thus, it is shown that the Variable Gap Hysteresimeter is an alternative characterization system for linear demagnetization permanent magnets with uncertainties within those defined by the standards.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras e Cerâmicos à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples. Para isso, o Histerisímetro de Entreferro Variável, HEV, é concebido e estudado. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável, bobinas de magnetização e desmagnetização de baixa potência, uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro, um fluxímetro com sua bobina exploradora, o circuito eletrônico de comando das bobinas de excitação e a interface a um sistema de instrumentação virtual. Para demonstrar os desenvolvimentos do trabalho são apresentados o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo em relação aos ímãs permanentes, instrumentação necessária para sua caracterização, a concepção e modelagem do HEV, os resultados dos testes realizados e uma abrangente análise de suas incertezas. Com isso é demonstrado que o Histerisímetro de Entreferro Variável é uma alternativa de caracterização de ímãs permanentes com desmagnetização linear com incertezas dentro do que é definido pela norma. / The determination of the main magnetic properties of permanent magnets usually requires sophisticated and expensive measuring systems. This work analyses and proposes a low-cost system for the characterization of Rare Earth and Ceramics permanent magnets at room temperature with simpler implementation. It comprehends a magnetic circuit with the permanent magnet under test, a steel yoke with appropriate pole pieces, a variable air gap, low power magnetization and demagnetization coils, a Hall Effect probe with its respective gaussmeter, a fluxmeter with its own search coil, a coil driver electronic circuit and a virtual instrumentation system (computer plus graphical interface software). To demonstrate the developments of the work, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism related to permanent magnets, the instrumentation required for its characterization, the HEV design and modeling, the results of the tests and a comprehensive analysis of related uncertainties. Thus, it is shown that the Variable Gap Hysteresimeter is an alternative characterization system for linear demagnetization permanent magnets with uncertainties within those defined by the standards.

<p dir="ltr"><a href="" target="_blank">The electrification of the transportation sector is pivotal in reducing greenhouse gas emissions and decreasing dependence on fossil fuels. Central to this transition are battery electric vehicles (BEVs) and other clean energy technologies, which rely heavily on critical materials (CMs) such as cobalt, lithium, neodymium, and nickel. </a>These materials are essential for the performance of batteries, advanced electronics, and other components in BEVs. <a href="" target="_blank">However, the limited availability of these CMs poses potential constraints on the widespread adoption of such technologies.</a></p><p dir="ltr">This research delves into the implications of widespread BEV adoption on the demand for CMs in the United States, with a focus on both light-duty vehicles (LDVs) and medium- and heavy-duty vehicles (MHDVs). Various market penetration scenarios were analyzed, revealing that while MHDVs require more CMs per vehicle, the sheer volume of LDV sales drives the overall CM demand, particularly in a scenario with 100% BEV adoption. Key findings highlight that cobalt, graphite, lithium, neodymium, and nickel are critical for BEVs, whereas palladium and rhodium are more crucial for internal combustion engine vehicles (ICEVs). Also explored is the impact of lightweighting on LDVs, revealing that while substituting steel with aluminum increases the total CM quantity per vehicle, it reduces the vehicle's mass, operational energy consumption, and the demand for high-concern battery-related CMs. Additionally, changing the battery cathode chemistry from NMC622 to LFP significantly reduces CM use but increases the demand for strategic materials like copper and phosphorus due to the lower energy density of LFP-based batteries.</p><p dir="ltr">The research also highlights the importance of rare earth permanent magnets (REPMs), <a href="" target="_blank">particularly Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) magnets, in clean energy technologies such as electric vehicles and wind turbines.</a> Neodymium, a critical material, faces supply chain risks. To lessen these risks, circular economy strategies have been proposed, including the recovery of needed materials from end-of-life (EoL) products. <a href="" target="_blank">A dynamic material flow analysis (MFA) model was developed to forecast such EoL flows for products containing REPMs and assess the recoverable neodymium from these EoL products. </a>The results indicate that even a modest recycling efficiency of 15% could meet 12% of the Nd demand for EVs by 2050, with reuse meeting up to 70% of the demand.</p><p dir="ltr">With the dynamic MFA model showing that circular economy principles could meet up to 70% of future neodymium demand in 2050, the next step was to investigate the techno-economic feasibility of recycling REPMs. A techno-economic assessment model was developed for establishing a magnet-to-magnet recycling facility for REPMs. Results revealed a net present value (NPV) of $8,867,111 over 20 years, a payback period of 3 years, and an internal rate of return (IRR) of 53%, providing a compelling case for investment in recycling infrastructure. Sensitivity analyses point to the selling price of recycled magnets, feedstock purchase price, facility throughput, and labor costs as the most influential factors on profitability.</p><p dir="ltr"><a href="" target="_blank">Additionally, this research explored the challenges and opportunities in the disassembly and recycling of EoL EV components, particularly traction motors containing REPMs. The complexity of disassembly, driven by varying component sizes and designs, is identified as a significant barrier. By evaluating manual disassembly times and proposing potential automation solutions, the study aims to streamline the disassembly process, thus facilitating more efficient recycling and remanufacturing operations.</a></p><p dir="ltr">The key contributions of this research are summarized as follows:</p><p dir="ltr">· Evaluated the vehicle CM demand of ICEVs and BEVs for LDVs and MHDVs and explored the impact of lightweighting and changing the battery cathode chemistry from NMC622 to LFP on CM demands.</p><p dir="ltr">· Developed a dynamic material flow analysis (MFA) model to forecast end-of-life (EoL) flows of products containing REPMs and assess the recoverable neodymium from these EoL products.</p><p dir="ltr">· Developed a techno-economic assessment (TEA) model to evaluate the viability of a magnet-to-magnet recycling facility.</p><p dir="ltr">· Performed disassembly analysis to assess the ease with which EoL BEV transmissions can be disassembled with a specific focus on the retrieval of traction motors (which house the REPMs) for potential reuse or remanufacturing.</p>