Forschung -

Neue Magnetmaterialien bringen mehr Leistung in kleine Motoren

Forscher am 'Department of Materials Science and Engineering' der Carnegie Mellon University untersuchen weichmagnetische Materialien, um signifikante Veränderungen an Motoren vorzunehmen.

Durch die Synthese von metallischen amorphen Nanokompositmaterialien (MANCs) ist es ihr Ziel, kleinere Motoren mit vergleichbarer Leistung herzustellen.

"Die Leistung eines Motors hängt von seiner Geschwindigkeit ab", sagte MSE-Professor Michael McHenry. "Wenn man einen Motor mit hohen Geschwindigkeiten betreibt, schaltet das Magnetmaterial mit einer höheren Frequenz. Die meisten magnetischen Stähle, aus denen sehr viele Motoren bestehen, verlieren bei höheren Frequenzen an Leistung, weil sie sich erwärmen."

Aktuelle Strommotoren werden typischerweise aus Siliziumstählen hergestellt. MANCs stellen eine Alternative zu Siliziumstählen dar und können aufgrund ihres hohen spezifischen Widerstandes (wie stark sie einem elektrischen Strom entgegenwirken) sich nicht so stark erwärmen und drehen daher mit viel höheren Geschwindigkeiten.

"Infolgedessen kann man entweder die Motorgröße bei einer gegebenen Leistungsdichte verkleinern oder einen Motor mit höherer Leistung bei gleicher Größe herstellen", sagte McHenry.

Das McHenry-Team entwickelte in Zusammenarbeit mit dem National Energy Technology Laboratory (NETL), dem NASA Glenn Research Center und der North Carolina State University einen 2,5-kW Motor mit einem Gewicht von weniger als 2,5 kg.

Vor kurzem haben sie den neuen Motor mit 6.000 Umdrehungen pro Minute getestet und suchen zudem nach größeren, die sich noch schneller drehen. Das Design, das vom Department of Energy (DOE) Advance Manufacturing Office finanziert wird, kombiniert Permanentmagnete mit den MANCs.

"Irgendwann können wir mit diesen Designs zu höheren Geschwindigkeiten und höheren Leistungen übergehen", sagte McHenry. "Im Moment benchmarken wir einen kleineren Motor, und dann werden wir versuchen, größere zu bauen."

"Motoren werden in der Luft- und Raumfahrt, in Fahrzeugen und sogar in Staubsaugern eingesetzt - Motoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen wichtig. Insgesamt stellen Motoren einen enormen Stromverbrauch dar, sodass sie ein Bereich sind, in dem bessere Wirkungsgrade einen großen Unterschied machen können."

Zur Herstellung von MANC-Materialien verfestigen McHenry und sein Team flüssige Metalle schnell bei etwa einer Million Grad pro Sekunde. Da sie im Labormaßstab arbeiten, untersuchen sie 10 Gramm Proben und stellen ihre magnetischen Eigenschaften fest.

Durch verschiedene Partnerschaften mit Forschungseinrichtungen und der Industrie können sie diese MANCs übernehmen und den Herstellungsprozess für den Einsatz in der Praxis erweitern.

Während des Leistungsumwandlungsprozesses in einem konventionellen Motor schaltet die Magnetisierung der Motormaterialien, was oft zu Leistungsverlusten führt.

Aber bei MANCs sind die Verluste, die mit dem Schalten der Magnetisierung verbunden sind, stark reduziert, da sie ein glasartiges Metall und nicht ein kristallines Metall sind.

Der strukturelle Unterschied befindet sich auf der atomaren Ebene: Wenn das Material geschmolzen und dann schnell abgekühlt wird, haben die Atome keine Zeit, Positionen in einem Kristallgitter zu finden.

Das McHenry-Team und ihre Mitarbeiter sind einige der wenigen, die den Einsatz von MANCs in Motoren demonstrieren. Ihr Design verwendet eigene patentierte Materialien - eine Kombination aus Eisen und Kobalt sowie Eisen und Nickel, gemischt mit Glasformern.

Die effizienten MANCs ermöglichen auch den Einsatz kostengünstigerer Permanentmagnete, die bei der Motorkonstruktion keine kritischen Seltene-Erden Materialien benötigen.

Während die Forscher im Labormaßstab testen, können Unternehmen aus der Industrie und anderen Forschungslabors diese Metalle für den Einsatz in der Industrie im größeren Maßstab testen und untersuchen.

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