Nyt nanomateriale introduceret i elektriske maskiner

Lappeenranta University of Technology i Finland har konstrueret verdens første prototype elektriske motor ved hjælp af carbon nanorørsgarn i motorviklingerne. Den nye teknologi kan forbedre ydeevnen betydeligt.

Ingeniører af LUT har konstrueret verdens første elektriske motor ved at anvende et tekstilmateriale; carbon nanorør garn. Det i øjeblikket mest elektrisk ledende carbon nanorørsgarn erstatter sædvanlige kobbertråde i viklingerne. Motorprototypen er bygget af LUT Electrical Engineering-gruppen som en start på letvægts-, effektive elektriske drev.

Testmotorens udgangseffekt er 40 W, den roterer med 15000 rpm, og har næsten 70 % effektivitet. I den nærmeste fremtid, carbon nanorørfibre har potentiale til at forbedre ydeevnen og energieffektiviteten af ​​elektriske maskiner betydeligt. Den nye teknologi kan revolutionere hele branchen.

Forskere leder konstant efter muligheder for at opgradere elektriske maskiners ydeevne; til denne ende, et af målene er at finde ledninger med højere ledningsevne til viklingerne. De bedste kulstofnanorør (CNT'er) har vist ledningsevner langt ud over de bedste metallers. Dermed, fremtidige viklinger lavet af CNT'er kan have en dobbelt ledningsevne sammenlignet med nutidens kobberviklinger. For at gøre CNT'er nemme at manipulere, de er spundet til multifibergarn.

"Hvis vi holder de elektriske maskiners designparametre uændrede og kun erstatter kobber med fremtidige carbon nanorørledninger, det er muligt at reducere Joule-tabene i viklingerne til halvdelen af ​​de nuværende maskintab. Carbon nanorør ledninger er væsentligt lettere end kobber og også mere miljøvenlige. Derfor, udskiftning af kobber med nanorørledninger bør reducere CO2-emissionerne i forbindelse med fremstilling og drift af elektriske maskiner betydeligt. Desuden, maskinens dimensioner og masser kunne reduceres. Motorerne kunne også køre i væsentligt højere temperaturer end de nuværende, " siger professor Juha Pyrhönen, der har stået i spidsen for designet af prototypen på LUT.

Ingen bestemt øvre grænse for ledningsevnen

Traditionelt, viklingerne i elektriske maskiner er lavet af kobber, som har den næstbedste ledningsevne af metaller ved stuetemperatur. På trods af kobbers høje ledningsevne, en stor del af de elektriske maskintab forekommer i kobberviklingerne. Af denne grund, Joule-tabene omtales ofte som kobbertab. Carbon nanorørgarnet har ikke en bestemt øvre grænse for ledningsevne (f.eks. er værdier på 100 MS/m allerede målt).

Ifølge Pyrhönen, de elektriske maskiner er så allestedsnærværende i hverdagen, at vi ofte glemmer deres tilstedeværelse. Alene i et enfamiliehus kan der være snesevis af elektriske maskiner i forskellige husholdningsapparater såsom køleskabe, vaskemaskine, hårtørrer, og ventilatorer.

"I branchen, antallet af elektriske motorer er enormt:der kan være op til titusindvis af motorer i en enkelt procesindustrienhed. Alle disse bruger kobber i viklingerne. Følgelig, at finde et mere effektivt materiale til at erstatte kobberlederne ville føre til store ændringer i industrien, " fortæller professor Pyrhönen.

Vigtig innovation for industrien

Prototypemotoren bruger carbon nanorør garn spundet og omdannet til et isoleret bånd af et japansk-hollandsk firma Teijin Aramid, som har udviklet spindeteknologien i samarbejde med Rice University, USA. De industrielle anvendelser af det nye materiale er stadig i deres vorden; opskalering af produktionskapaciteten sammen med forbedring af garnets ydeevne vil lette store skridt i fremtiden, mener forretningsudviklingschef Dr. Marcin Otto fra Teijin Aramid, enig med professor Pyrhönen.

"Der er et betydeligt forbedringspotentiale i de elektriske maskiner, men vi står nu over for grænserne for materialefysik sat af traditionelle viklingsmaterialer. Superledning ser ikke ud til at udvikle sig til et sådant niveau, at det kunne generelt, anvendes på elektriske maskiner. Kulholdige materialer, imidlertid, synes at have en pole position:Vi forventer, at i fremtiden, ledningsevnen af ​​nanorørsgarn i kulstof kunne endda være tre gange den praktiske ledningsevne af kobber i elektriske maskiner. Ud over, kulstof er rigeligt, mens kobber skal udvindes eller genanvendes ved tunge industrielle processer."