Magnetiske materialer til fremtidens motorer

Ifølge en statistik fra University of Chicago, 50 procent af den amerikanske strøm går gennem en motor. Køretøjer som biler og fly er afhængige af motorer til at transformere strøm, det samme gør husholdningsapparater som støvsugere og køleskabe. Fordi dette rum er så stort, mere effektive motorer kan gøre en væsentlig forskel i energiforbruget.

Når en motor arbejder for at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi, en vekselstrøm giver et magnetfelt til de magnetiske materialer inde i motoren. De magnetiske dipoler skifter så fra nord til syd, og få motoren til at rotere. Denne ændring af de magnetiske materialer får det til at varme op, miste energi.

Men hvad nu hvis det magnetiske materiale ikke blev varmet op, når det blev drejet med høj hastighed? Michael McHenry, professor i materialevidenskab og -teknik (MSE) ved Carnegie Mellon University, og hans gruppe adresserer dette problem ved at syntetisere metal amorfe nanokompositmaterialer (MANC'er), en klasse af bløde magnetiske materialer, der er effektive til at transformere energi ved høje frekvenser, hvilket tillader mindre motorer at levere sammenlignelig effekt.

"En motors kraft afhænger af dens hastighed, " sagde McHenry. "Når du roterer en motor ved høje hastigheder, det magnetiske materiale skifter ved en højere frekvens. De fleste magnetiske stål, hvilket er hvad de fleste motorer er lavet af, mister strøm ved højere frekvenser, fordi de varmes op."

I øjeblikket er motorer typisk lavet af siliciumstål. MANC'er giver et alternativ til siliciumstål og, på grund af deres høje resistivitet (hvor stærkt de modarbejder en elektrisk strøm), de varmer ikke så meget op og kan derfor spinde med meget højere hastigheder.

"Som resultat, du kan enten skrumpe størrelsen af ​​motoren ved en given effekttæthed eller lave en motor med højere effekt i samme størrelse, " sagde McHenry.

McHenrys gruppe, i samarbejde med National Energy Technology Laboratory (NETL), NASA Glenn Research Center, og North Carolina State University, designer en to og en halv kilowatt motor, der vejer mindre end to og et halvt kilo. Seneste, de har benchmarket det til 6, 000 rotationer i minuttet og søger at bygge større, der vil spinde endnu hurtigere. Designet, som er finansieret af Department of Energy (DOE) Advance Manufacturing Office, kombinerer permanente magneter med MANC'erne.

For at syntetisere MANC-materialer, McHenry og hans team størkner hurtigt flydende metaller med omkring en million grader i sekundet. Da de arbejder på laboratorieskalaen, de ser på prøver på 10 gram og screener dem for deres magnetiske egenskaber. Gennem forskellige partnerskaber med partnerforskningsinstitutioner og industri, de kan tage disse MANC'er og opskalere fremstillingsprocessen til brug i virkelige applikationer.

Under krafttransformationsprocessen i en konventionel motor, magnetiseringen af ​​motormaterialekontakterne, resulterer ofte i strømtab. Men med manc'er, tabene forbundet med omskiftning af magnetiseringen er stærkt reduceret, fordi de er et glasagtigt metal snarere end et krystallinsk metal. Den strukturelle forskel er på atomniveau:når materialet smeltes, derefter hurtigt afkølet, atomerne har ikke tid til at finde positioner i et krystallinsk gitter.

McHenrys gruppe og samarbejdspartnere er nogle af de få, der demonstrerer brugen af ​​MANC'er i motorer. Deres design bruger også unikt deres egne patenterede materialer - en kombination af jern og kobolt, og jern og nikkel, blandet med glasdannere. De effektive MANC'er muliggør også brugen af ​​billigere permanente magneter, som ikke kræver kritiske sjældne jordarters materialer, i motordesignet.

Mens forskerne tester i mindre proportioner på laboratorieskalaen, samarbejder med virksomheder i industrien og andre forskningslaboratorier kan bringe disse metaller i skala til brug i industrien.

"Til sidst kan vi gå til højere hastigheder og højere kræfter med disse designs, " sagde McHenry. "Lige nu benchmarker vi en mindre motor, og så vil vi prøve at bygge større. Motorer har rumfart, køretøj, og endda støvsugerapplikationer – motorer er vigtige i et vilkårligt antal applikationer. I alt, motorer repræsenterer en enorm brug af elektrisk strøm, så de er et område, hvor effektivitet kan gøre en stor forskel."