2018-11-29 21:12:01
用于未来电机的磁性材料

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根据芝加哥大学的统计数据,美国50%的电力通过电机运行。像汽车和飞机这样的车辆依靠电动机来改造电力,就像真空吸尘器和冰箱等家用电器一样。由于这个空间太大,更高效的电机可以在能源使用方面产生显着差异。

当电动机操作以将电能转换成机械能时,交流电为磁电机内部的磁性材料提供磁场。然后磁偶极子从北向南切换,并使电动机旋转。磁性材料的这种切换导致其加热,从而损失能量。

但是,如果磁性材料在高速旋转时不会升温怎么办?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(MANCs)来解决这个问题,这是一类有效转换高频能量的软磁材料更小的电机提供相当的功率。

“电机的功率取决于它的速度,”麦克亨利说。 “当您以高速旋转电机时,磁性材料会以更高的频率切换。大多数电机都是由大多数电机制成的,因为它们会升温而在较高频率下会失去电力。”

目前,电动机通常由硅钢制成。 MANC提供了硅钢的替代品,并且由于它们的高电阻率(它们对电流的强烈程度),它们不会加热太多,因此可以以更高的速度旋转。

“因此,你可以在给定的功率密度下缩小电机的尺寸,或者在相同尺寸下制造更高功率的电机,”McHenry说。

麦克亨利集团与国家能源技术实验室(NETL),美国宇航局格伦研究中心和北卡罗来纳州立大学合作,正在设计一台重量不到2.5千克的2.5千瓦电机。最近,他们以每分钟6,000转的速度对其进行基准测试,并且正在寻求制造更大的旋转速度更快的旋转速度。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百万度的速度快速固化液态金属。由于它们在实验室规模上工作,因此它们会查看10克样品并筛选它们的磁性。通过与合作伙伴研究机构和行业的各种合作伙伴关系,他们可以采用这些MANC并扩大制造流程,以用于实际应用。

在传统电动机的电力转换过程中,电动机材料的磁化开关,经常导致功率损失。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在电机中使用MANC的人。他们的设计还独特地使用他们自己的专利材料 - 铁和钴,铁和镍的组合,与玻璃成型器混合。高效的MANC还可以在电机设计中使用低成本永磁体,这种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以较小的比例进行测试,但与工业和其他研究实验室的公司合作可以将这些金属用于工业中。

“最终,我们可以通过这些设计获得更高的速度和更高的功率,”McHenry说。 “现在我们正在对一个较小的电机进行基准测试,然后我们将尝试制造更大的电机。电机有航空航天,汽车,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,电机代表了巨大的使用电力,因此它们是效率可以产生重大影响的一个领域。“

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