Magnetiske materialer øger energitætheden i krafttransformation

Magttransformation. Elektrificering af køretøjer. At skabe motorer, der er effektive. Nogle af fremtidens største teknologier hviler på at finde måder til effektivt at omdanne energi. Og rygraden, der muliggør udviklingen af ​​disse teknologier, er området for avancerede materialer.

På Carnegie Mellon University, Materials Science and Engineering Professor Mike McHenry og hans forskergruppe er ved at udvikle metal amorfe nanokompositmaterialer (MANC), eller magnetiske materialer, hvis nanokrystaller er blevet dyrket ud af en amorf matrix for at skabe et tofaset magnetisk materiale, der udnytter både de attraktive magnetiske induktioner af nanokrystallerne og den store elektriske modstand af et metallisk glas. Når den betjenes ved høje frekvenser, disse MANC materialer tilbyder meget høj energieffektivitet, på grund af deres lave tab af energi - en vigtig komponent til at transformere energi.

Forskellige MANC-sammensætninger kan anvendes til forskellige applikationer, men er senest blevet vedtaget i krafttransformatorer, der vil blive brugt til at bringe vedvarende energi til nettet. Disse transformere har brug for magnetiske materialer til at høste sol- eller vindenergi, transformer den derefter til en strøm, der kan lagres og føres til nettet.

Typisk, siliciumstål, der bruges til at omdanne energi, er tabsgivende ved høje frekvenser, hvilket betyder, at de mister energi, når de exciteres med højfrekvente vekselstrømsfelter. Men McHenrys materiale lider ikke af dette problem. Det er meget effektivt og taber lidt energi, selv ved frekvenser, der når titusinder af kHz. Materialets tabsfrie natur giver mulighed for applikationer med høj effekttæthed, såsom strømforsyningsspoler og transformere, motorer til elektriske køretøjer, og endda potentielt for motorer, der driver fly og raketter i rummet.

For at syntetisere disse materialer, McHenrys team vejer legeringskomponenter, der kombinerer jern, kobolt, og nikkel, blandet med glasdannere i forhold, der er optimeret til at opnå ønskelig magnetisk, elektriske og mekaniske egenskaber. Næste, de bruger en digel til at smelte materialet og støbe det smeltede metal på et roterende kobberhjul ved hjælp af en teknik kaldet planar flow casting. Den smeltede legering danner en smeltepool på kobberlegeringsstøbehjulet. Hjulets store termiske masse trækker hurtigt varme ud af materialet, afkøling af det flydende metal med omkring 1 million grader i sekundet. Ved disse størkningshastigheder, atomer har ikke tid til at finde positioner i et krystallinsk gitter. Det resulterende metastabile materiale er et metallisk glas - et materiale, hvis isotrope struktur gør det nemt at skifte magnetisering uden at miste energi, perfekt til brug i højeffektapplikationer.

"I hvert eneste af de projekter, vi arbejder på, vi lærer noget mere, " sagde McHenry.

McHenrys laboratorium er stærk i denne syntesemetode, kaldet hurtig størkning, som er en del af syntesestadiet af det materialevidenskabelige paradigme (syntese, struktur, ejendomme, og ydeevne). Hans laboratorium er i stand til at skabe disse materialer, eller find den bedste metode til at skabe disse materialer, arbejder derefter sammen med andre på nationale laboratorier og industri for at skalere det op til brug i virkelige applikationer.

I øjeblikket, McHenry og hans team samarbejder med National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Research Center, North Carolina State University, og Eaton Corporation på et Department of Energy-finansieret projekt for at skabe transformatorer med høj tæthed for at bringe vedvarende energi til elnettet. Projektet, en fotovoltaisk konverter med tre porte, øger strømtætheden og gør det muligt for den fotovoltaiske energikilde at forbinde direkte til transformatoren, der forbinder til lagerenheden.

"Vi arbejder på et utal af geometrier, " sagde McHenry. "Vores job er at skabe materialer, så aflever det til de mennesker, der vil bruge det i deres produkter. Det er virkelig materialerne, der muliggør kraft- og energianvendelser; alle rider materialernes udviklingshest."