Motoarele electrice mai eficiente și mai accesibile prin imprimarea 3D a magnetilor

O nouă inițiativă în valoare de 2,6 milioane de dolari, coordonată de Universitatea Michigan, își propune să îmbunătățească eficiența motoarelor electrice, să reducă costurile și, în cele din urmă, să producă motoare fără elemente rare de pământ greu. Acest proiect pe o perioadă de 3 ani este finanțat de Departamentul de Tehnologii ale Vehiculelor al Departamentului de Energie. Cercetătorii vor avansa o tehnică emergentă numită “fuziune cu pulbere de laser” sau “topire selectivă cu laser”, care utilizează un fascicul laser pentru a topi și a lipi pulberile de material. Cu ajutorul acestei tehnici, vor crea prin imprimare 3D versiuni semnificativ îmbunătățite ale miezului magnetic moale și a magnetilor permanenți ai unui motor – componente magnetice cheie care interacționează cu curentul electric pentru a produce cuplu și rotație. În motoarele actuale cu cea mai mare eficiență, magnetii permanenți atașați la rotorul care poate fi rotit generează câmpul magnetic, iar miezul magnetic moale din oțel laminat din siliciu ghidează fluxul magnetic.

Echipa se concentrează în prima fază a proiectului pe miezul magnetic moale. Miezurile convenționale din oțel siliconic sunt fabricate printr-un proces complex care implică topirea, apoi laminarea foilor de metal, urmată de ștanțare, acoperire și asamblare pentru a obține proprietățile dorite. Deja din anii 1960, cercetătorii știu că materialele magnetice moi nanocristaline, cum ar fi fierul-siliciu (Fe-Si) și fierul-boron-siliciu dopat cu cupru-niobiu (FeBSi (CuNb)), au performanțe de aproximativ 10 ori mai mari decât oțelul siliconic, dar abordările de fabricație încercate până acum au fost prea costisitoare. Materialele magnetice moi nanocristaline sunt aliaje, în general pe bază de fier, cu structură cristalină fină la scară nanometrică, cu proprietăți magnetice unice. Acestea au permeabilitate ridicată, ceea ce permite magnetizarea puternică cu câmpuri magnetice relativ scăzute; coercivitate redusă, ceea ce permite o reacție rapidă la schimbările de câmp magnetic; și pierderi reduse de curent de turbion, ceea ce se traduce printr-o energie mai mică pierdută sub formă de căldură.

Prin exploatarea solidificării rapide oferite de fabricarea aditivă cu laser și a nucleației ghidate de nanoparticule, cercetătorii intenționează să imprime în 3D miezuri magnetice moi nanocristaline strat cu strat în formele dorite, fără a necesita turnarea, laminarea și prelucrarea pentru componentele reale. În a doua jumătate a proiectului, vor incorpora magnetizarea in-situ, care se referă pur și simplu la magnetizarea unui material în loc, în apropierea băii de topire, pentru a promova texturarea în magnetii permanenți imprimați și, în plus, vor fabrica magneti permanenți cu gradient care funcționează fără metale rare de pământ greu.