Исследователи из Шеффилда разработали более легкий электродвигатель, напечатанный на 3D-принтере

Oct 22, 2023

Исследователи из Университета Шеффилда, работающие с коллегами из Университета Висконсин-Мэдисон, разработали прототип нового, более легкого и более эффективного 3D-печатного электродвигателя, используя доступную технологию 3D-печати металлическим PBF, что открывает путь для будущих электродвигателей с целью повышения их мощности. мощность с использованием меньшего количества материала.

Спрос на электродвигатели быстро растет, и эти инновации имеют решающее значение для перехода на следующие этапы электрификации транспорта, например, самолетов, где батареи должны быть легче, а двигатели должны быть более энергоэффективными.

Прототип, в котором используется электротехническая сталь с более высоким содержанием кремния, снижающая потери энергии, был разработан в рамках сотрудничества Александра Гудолла, аспиранта кафедры материаловедения и инженерии; Ассистент-исследователь Университета Висконсина в Мэдисоне ФНУ Нишант и их руководители профессор Иэн Тодд и Эрик Северсон.

Конструкция прототипа состоит из статора — объекта круглой формы с зубцами, вокруг которых можно наматывать провода для создания магнитного поля. Самая большая разница в конструкции между прототипом и традиционными статорами можно увидеть в самих зубцах, поскольку они имеют сложную конструкцию из тонких геометрических линий, предназначенную для уменьшения потерь энергии.

Сотрудничество было инициировано Александром, когда он встретил Нишанта на конференции в 2020 году и понял, что у них есть то, что нужно другому для реализации этого проекта: у Шеффилда был доступ к технологии печати, чтобы воплотить в жизнь знания UW-Madison в создании нетрадиционных двигателей.

Александр Гудолл из Университета Шеффилда придумал концепцию, спроектировал, разработал и изготовил статор, в то время как исследователи из Университета Висконсина завершили комплексные испытания, показав улучшение плотности крутящего момента.

Когда напечатанный прототип был протестирован в октябре 2022 года, выяснилось, что он выдает больший крутящий момент, чем предполагалось при меньшем количестве материала. «Когда ваша масса на 30% меньше, вы могли бы ожидать, что ваш крутящий момент также будет ниже… но это не так», — сказал Нишант. «Итак, это показывает, что вы знаете, что на самом деле собираетесь улучшить чистую плотность крутящего момента в этой машине, и если мы сможем улучшить это, (создание более эффективного электродвигателя, напечатанного на 3D-принтере), это изменит правила игры».

Традиционные методы создания статоров электродвигателей используют процесс ламинирования, при котором штампуют листы электротехнической стали. В результате вы получаете статор, состоящий из пластин с крошечными, но видимыми линиями выступов на вершине зубцов.

Этот метод, хотя и легко воспроизводимый, как правило, основан на использовании сплава электротехнической стали с 3% кремния в нем, что приводит к более высоким показателям потерь энергии и меньшей эффективности. Сплав электротехнической стали с содержанием кремния 6,5%, рекомендованный Министерством энергетики США, снижает потери энергии, но является более хрупким и с меньшей вероятностью выдержит традиционный процесс ламинирования.

Но благодаря 3D-печати нет необходимости прилагать тонны давления во время прокатки, и машина может напечатать тонкий рисунок на небольшом прототипе статора мощностью 10 киловатт в течение 20 часов. Хотя этой энергии будет недостаточно для работы электромобиля, модель можно легко увеличить до 40 киловатт и при этом печатать на промышленном принтере быстрее.

Александр сказал: «Этот проект показал большой потенциал, который аддитивное производство имеет для электрических машин с легкими и эффективными конструкциями, которые раньше никогда не были возможны при использовании какой-либо другой технологии производства. Было приятно работать с командой WEMPEC (международно известной исследовательской группой в области силовой электроники и электрических машин, расположенной в Университете Вашингтона в Мэдисоне), чтобы воплотить эту идею в реальность».