Повышение эффективности электродвигателей, снижение затрат и, в конечном итоге, отказ от редкоземельных элементов — цели нового проекта стоимостью 2,6 миллиона долларов, Мичиганского университета.
По данным Международного энергетического агентства, сегодня электродвигатели потребляют более половины производимой в мире электроэнергии. Они приводят в действие электромобили, промышленное оборудование, системы отопления и охлаждения, бытовую технику, ветряные турбины, медицинское оборудование и многое другое. По прогнозам, их использование будет расти вместе с ростом рынка электромобилей и другими секторами, которые исторически полагались на ископаемое топливо. «Часто, когда мы говорим об усовершенствовании конструкции электромобилей, мы сосредотачиваемся на аккумуляторе, хотя электродвигатель является важным компонентом, который требует пристального внимания из-за сложностей в поставке сырья и других причин. Таже необходимо улучшать его эффективность», — сказал руководитель проекта Лэй Цзо.
Трехлетний проект финансируется Управлением Департамента энергетических автомобильных технологий. Исследователи будут продвигать новую технологию под названием «лазерное плавление в слое порошка» или «селективное лазерное плавление», в которой используется лазерный луч для соединения порошков материалов. С его помощью они, по сути, напечатают на 3D-принтере улучшенные версии магнитно-мягкого сердечника двигателя и постоянных магнитов, ключевых компонентов двигателя. Напомним, что в современных электродвигателях постоянные магниты, закрепленные на роторе, создают магнитное поле, а магнитно-мягкий сердечник из ламинированной кремниевой стали распределяет магнитный поток.
Целью команды является создание прототипов высокопроизводительных нанокристаллических магнитомягких сердечников и постоянных магнитов с функциональным градиентом (что бы это не значило для непосвященного читателя).
На первом этапе ученые сосредоточатся на магнитном сердечнике. Обычные сердечники из кремнистой стали производятся с помощью сложного процесса, который включает плавку, холодную прокатку металлических листов с последующей штамповкой, нанесением покрытия и укладкой. С 1960-х годов исследователи знали, что нанокристаллические магнитомягкие материалы, такие как железо-кремний (Fe-Si), и железо-бор-кремний, легированный медью-ниобием FeBSi (CuNb), имеют примерно в 10 раз более высокие характеристики, чем кремниевая сталь, однако эти технологии до сих пор казались слишком дорогими.
Многие знают, что нанокристаллические магнитомягкие материалы представляют собой сплавы на основе железа с мелкозернистой или наноразмерной кристаллической структурой с уникальными магнитными свойствами. Они имеют высокую проницаемость, что обеспечивает сильное намагничивание при относительно слабых магнитных полях; а также низкую коэрцитивность, что позволяет быстро реагировать на изменения магнитного поля. Их отличают низкие потери на вихревые токи, а значит меньшие потери энергии, выделяемые в виде тепла.
Воспользовавшись преимуществами быстрого затвердевания, исследователи стремятся печатать нанокристаллические магнитомягкие сердечники слой за слоем в желаемых формах. Понятно, что для этого им не требуется применять литье, ламинирование и сложной оснастки. По планам, исследователи будут применять намагничивание материала на месте, рядом с ванной расплава, чтобы текстурировать напечатанные магниты без использования редкоземельных металлов. Дело в том, что тяжелые редкоземельные металлы сложно добывать из-за их низкой концентрации в земной коре. Среди них диспрозий, тяжелый серебристо-белый металл, который используется в составе постоянных магнитов. В итоге, исследовательская группа предполагает производство постоянных магнитов, без применения диспрозия. Хотя ученые исключат необходимость в тяжелых редкоземельных металлах, ограниченное количество легких редкоземельных металлов им все же потребуется.
В итоге цели проекта намечены:
• Уменьшить потери на вихревые токи в 10 раз для нанокристаллических магнитомягких материалов Fe-Si и FeSiB(CuNb)
• Снизить потери в железном сердечнике в 5 раз
• В три раза увеличить проницаемость железного сердечника
• Снизить производственные затраты на 40%
• Устранить содержание диспрозия в постоянном магните.
А мы пожелаем успехов американскому ученому Лэй Цзо и его команде в непростом научном исследовании.
