Forscher aus Sheffield entwickeln leichteren 3D-gedruckten Elektromotor

Oct 22, 2023

Forscher der Sheffield University haben in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der University of Wisconsin-Madison den Prototyp eines neuen, leichteren und effizienteren 3D-gedruckten Elektromotors unter Verwendung der kostengünstigen PBF-3D-Drucktechnologie aus Metall entwickelt und damit den Weg für zukünftige Elektromotoren geebnet, um ihre Leistung zu steigern Leistung mit weniger Material.

Die Nachfrage nach Elektromotoren wächst rasant und diese Innovationen sind von entscheidender Bedeutung, um die nächsten Phasen der Elektrifizierung des Verkehrs voranzutreiben, beispielsweise für Flugzeuge, bei denen die Batterien leichter und die Motoren energieeffizienter sein müssen.

Der Prototyp, der einen Elektrostahl mit höherem Siliziumanteil verwendet, der Energieverluste reduziert, wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen Alexander Goodall, einem Doktoranden am Department of Materials Science and Engineering; Postdoktorand der UW-Madison, FNU Nishanth, und ihre Berater, Professor Iain Todd und Eric Severson.

Der Prototyp besteht aus einem Stator, einem kreisförmigen Objekt mit Zinken, um die Drähte gewickelt werden können, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Der größte Designunterschied zwischen dem Prototyp und herkömmlichen Statoren ist in den Zinken selbst zu erkennen, da sie ein kompliziertes Design aus dünnen geometrischen Linien aufweisen, das den Energieverlust reduzieren soll.

Die Zusammenarbeit wurde von Alexander ins Leben gerufen, als er Nishanth auf einer Konferenz im Jahr 2020 traf und erkannte, dass sie das hatten, was der andere brauchte, um dieses Projekt zu verwirklichen: Sheffield hatte Zugang zur Drucktechnologie, um das Wissen von UW-Madison bei der Entwicklung unkonventioneller Motoren in die Realität umzusetzen.

Alexander Goodall von der University of Sheffield entwickelte das Konzept und entwarf, entwickelte und fertigte den Stator, während Forscher an der University of Wisconsin umfassende Tests durchführten, die eine Verbesserung der Drehmomentdichte zeigten.

Als der gedruckte Prototyp im Oktober 2022 getestet wurde, stellte sich heraus, dass er mit weniger Material mehr Drehmoment lieferte, als sie für möglich gehalten hätten. „Wenn man eine um 30 % geringere Masse hat, würde man erwarten, dass auch das Drehmoment geringer ist … aber das war nicht der Fall“, sagte Nishanth. „Das zeigt also, dass Sie wissen, dass Sie tatsächlich eine Verbesserung der Nettodrehmomentdichte in dieser Maschine erzielen werden, und wenn wir dies weiter verbessern können (die Herstellung eines effizienteren 3D-gedruckten Elektromotors), wäre das ein Wendepunkt.“

Traditionelle Methoden zur Herstellung von Statoren in Elektromotoren verwenden einen Laminierungsprozess, bei dem Elektrostahlbleche ausgestanzt werden. Das Ergebnis ist ein Stator mit gestapelten Lamellen und winzigen, aber sichtbaren Gratlinien auf der Oberseite der Zinken.

Obwohl diese Methode leicht zu reproduzieren ist, basiert sie in der Regel auf der Verwendung einer Elektrostahllegierung mit 3 % Silizium, was zu höheren Energieverlustraten und einer geringeren Effizienz führt. Eine vom US-Energieministerium empfohlene Elektrostahllegierung mit 6,5 % Silizium reduziert Energieverluste, ist jedoch spröder und hält dem herkömmlichen Laminierungsprozess weniger stand.

Beim 3D-Druck muss beim Walzen jedoch kein großer Druck ausgeübt werden, und die Maschine kann das feine Muster innerhalb von 20 Stunden auf den kleinen 10-Kilowatt-Prototyp-Stator drucken. Das würde zwar nicht ausreichen, um ein Elektrofahrzeug anzutreiben, aber das Modell ließe sich leicht auf 40 Kilowatt skalieren und trotzdem schneller auf einem Industriedrucker drucken.

Alexander sagte: „Dieses Projekt hat das große Potenzial der additiven Fertigung für elektrische Maschinen gezeigt, mit leichten, effizienten Strukturen, die mit keiner anderen Fertigungstechnik zuvor möglich waren.“ Es war eine Freude, mit dem Team von WEMPEC (einer international renommierten Forschungsgruppe für Leistungselektronik und elektrische Maschinen mit Sitz an der UW-Madison) zusammenzuarbeiten, um diese Idee in die Realität umzusetzen.“