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未来电机的磁性材料

电机要闻
导读 根据芝加哥大学的一项统计数据, 50% 的电力都通过电机。汽车和飞机等交通工具依靠电机来转换动力,吸尘器和冰箱等家用电器也是如此。由

根据芝加哥大学的一项统计数据, 50% 的电力都通过电机。汽车和飞机等交通工具依靠电机来转换动力,吸尘器和冰箱等家用电器也是如此。由于这个空间如此之大,更高效的电机可以在能源使用方面产生重大影响。

当一个电动机操作以转换电能到机械能,交流电提供了一种磁场到磁材料在电机内部。然后磁偶极子从北向南切换,并导致电机旋转。磁性材料的这种切换会导致其升温,从而损失能量。

但是如果磁性材料在高速旋转时没有变热呢?卡内基梅隆大学材料科学与工程 (MSE) 教授Michael McHenry和他的团队正在通过合成金属非晶纳米复合材料 (MANC) 来解决这个问题,MANC 是一类可有效转换高频能量的软磁材料,允许更小的电机提供可比的功率。

“电机的功率取决于它的速度,”麦克亨利说。“当你高速旋转电机时,磁性材料会以更高的频率切换。大多数磁钢,即大多数电机的制造材料,在高频时会因为发热而失去动力。”

目前,电机通常由硅钢制成。MANCs 提供了硅钢的替代品,并且由于它们的高电阻率(它们抵抗电流的强度),它们不会加热那么多,因此可以以更高的速度旋转。

“因此,您既可以在给定的功率密度下缩小电机的尺寸,也可以在相同的尺寸下制造更高功率的电机,”麦克亨利说。

McHenry 的团队与国家能源技术实验室 (NETL)、宇航局格伦研究中心和北卡罗来纳州立大学合作,正在设计一种重量不到两公斤半的两千瓦半电机。最近,他们以每分钟 6,000 转为基准,并希望制造更大的旋转速度更快的产品。该设计由能源部 (DOE) 先进制造办公室资助,将永磁体与 MANC 结合在一起。

为了合成 MANC 材料,McHenry 和他的团队以每秒约 100 万度的速度快速固化液态金属。由于他们在实验室规模上工作,因此他们查看 10 克样品并筛选它们的磁性。通过与合作研究机构和行业的各种合作伙伴关系,他们可以利用这些 MANC 并扩大制造过程以用于实际应用。

传统电机在功率转换过程中,电机材料的磁化强度发生变化,往往会导致功率损耗。但是对于MANC,与磁化切换相关的损耗大大降低,因为它们是玻璃状金属而不是结晶金属。结构差异在于原子水平:当材料熔化,然后快速冷却时,原子没有时间在晶格中找到位置。

McHenry 的团队和合作者是少数几个展示 MANC 在电机中使用的人。他们的设计还独特地使用了他们自己的专利材料——铁和钴、铁和镍的组合,以及玻璃成型剂。高效的 MANC 还可以在电机设计中使用低成本的永磁体,这些永磁体不需要关键的稀土材料。

虽然研究人员在实验室规模上进行了较小比例的测试,但与工业公司和其他研究实验室的合作可以将这些金属用于工业规模。

“最终,我们可以通过这些设计达到更高的速度和更高的功率,”麦克亨利说。“现在我们正在对更小的电机进行基准测试,然后我们将尝试制造更大的电机。电机具有航空航天、车辆,甚至真空吸尘器应用——电机在许多应用中都很重要。总的来说,电机代表了一个巨大的使用电器的功率,所以他们是一个领域,效率可以有很大的不同。”