Согласно статистике из Чикагского университета, 50 процентов электроэнергии в США проходит через двигатель. Транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, полагаются на двигатели для преобразования энергии, как и бытовые приборы, такие как пылесосы и холодильники. Поскольку это пространство настолько велико, более эффективные двигатели могут существенно повлиять на потребление энергии.

Макхенри и его команда изготавливают металлические аморфные нанокомпозиты в своей лаборатории. Фото: Инженерный колледж Университета Карнеги-Меллона

Когда двигатель работает для преобразования электрической энергии в механическую, переменный ток создает магнитное поле для магнитных материалов внутри двигателя. Затем магнитные диполи переключаются с севера на юг, и двигатель начинает вращаться. Это переключение магнитных материалов заставляет его нагреваться, теряя энергию.

Но что, если магнитный материал не нагревается при вращении на высокой скорости? Майкл МакГенри, профессор материаловедения и инженерии (MSE) в Университете Карнеги-Меллона, и его группа решают эту проблему, синтезируя металлоаморфные нанокомпозитные материалы (МАНК), класс магнитомягких материалов, которые эффективны в преобразовании энергии на высоких частотах, позволяя меньшие двигатели для обеспечения сопоставимой мощности.

«Мощность мотора зависит от его скорости», – сказал МакГенри. «Когда вы вращаете двигатель на высоких скоростях, магнитный материал переключается с более высокой частотой. Большинство магнитных сталей, из которых состоит большинство двигателей, теряют мощность на более высоких частотах, потому что они нагреваются ».

В настоящее время моторы обычно изготавливаются из кремниевых сталей. MANC обеспечивают альтернативу кремниевым сталям и из-за их высокого удельного сопротивления (насколько сильно они противостоят электрическому току) они не нагреваются так сильно и поэтому могут вращаться с гораздо более высокими скоростями.

«В результате вы можете либо уменьшить размер двигателя при заданной плотности мощности, либо сделать двигатель большей мощности при том же размере», – сказал МакХенри.

Группа МакГенри в сотрудничестве с Национальной лабораторией энергетических технологий (NETL), исследовательским центром NASA Glenn и Университетом штата Северная Каролина разрабатывают двигатель мощностью два с половиной киловатта, который весит менее двух с половиной килограммов. Совсем недавно они оценили его в 6000 оборотов в минуту и ​​надеются создать более крупные, которые будут вращаться еще быстрее. Конструкция, финансируемая передовым производственным отделом Министерства энергетики США, сочетает в себе постоянные магниты и МАНК.

Чтобы синтезировать материалы MANC, МакГенри и его команда быстро затвердевают жидких металлов со скоростью около миллиона градусов в секунду. Так как они работают в лабораторных масштабах, они смотрят на 10-граммовые образцы и проверяют их на магнитные свойства. Благодаря различным партнерским отношениям с партнерскими научно-исследовательскими институтами и промышленностью, они могут использовать эти МАНКы и расширять процесс изготовления для использования в реальных приложениях.

Во время процесса преобразования мощности в обычном двигателе намагниченность материалов двигателя переключается, что часто приводит к потере мощности. Но с MANC потери, связанные с переключением намагниченности, значительно уменьшены, потому что они – стеклянный металл, а не кристаллический металл. Структурная разница находится на атомном уровне: когда материал расплавляется, а затем быстро охлаждается, атомы не успевают найти положения в кристаллической решетке.

Группа и сотрудники McHenry – одни из немногих, кто демонстрирует использование MANC в двигателях. В их конструкции также используются уникальные запатентованные материалы – комбинация железа и кобальта, а также железа и никеля, смешанных со стеклообразователями. Эффективные MANC также позволяют использовать более дешевые постоянные магниты, которые не требуют критических редкоземельных материалов, в конструкции двигателя.

В то время как исследователи проводят испытания в меньших пропорциях в лабораторных масштабах, сотрудничество с промышленными компаниями и другими исследовательскими лабораториями может привести к масштабированию этих металлов для использования в промышленности.

«В конечном итоге мы можем перейти на более высокие скорости и более высокие мощности с этими конструкциями», сказал МакГенри. «Прямо сейчас мы проводим тестирование меньшего двигателя, а затем попробуем построить более крупные. Моторы используются в аэрокосмической, автомобильной и даже пылесосной областях – двигатели важны для любого количества применений. В целом, двигатели представляют собой огромное использование электроэнергии, поэтому они являются одной из областей, где эффективность может иметь большое значение ».

По материалам phys.org