シェフィールドの研究者が軽量の3Dプリント電気モーターを開発

Oct 22, 2023

シェフィールド大学の研究者は、ウィスコンシン大学マディソン校の共同研究者と協力して、手頃な価格の金属 PBF 3D プリンティング技術を使用して、より軽量で効率的な新しい 3D プリント電気モーターのプロトタイプを開発し、将来の電気モーターの高寿命化への道を切り開きました。より少ない材料でパワーを発揮します。

電気モーターの需要は急速に成長しており、これらのイノベーションは、バッテリーの軽量化とモーターのエネルギー効率の向上が求められる航空機など、輸送電化の次の段階を開拓するために極めて重要です。

このプロトタイプは、エネルギー損失を低減する高割合のシリコン電磁鋼板を使用しており、材料科学工学部の博士課程の学生であるアレクサンダー・グドール氏と、材料科学工学部の博士課程の学生であるアレクサンダー・グドール氏との共同研究の一環として設計されました。 ウィスコンシン州マディソン校の博士研究員である FNU Nishanth 氏とそのアドバイザーであるイアン・トッド教授とエリック・セバーソン氏。

プロトタイプの設計は、磁場を生成するためにワイヤーを巻き付けることができる突起を備えた円形の物体であるステーターで構成されています。 プロトタイプと従来のステーターの設計上の最大の違いは、エネルギ損失を減らすことを目的とした細い幾何学的な線の複雑なデザインを特徴とするプロング自体に見られます。

このコラボレーションは、アレクサンダーが 2020 年のカンファレンスでニシャンスに会い、このプロジェクトを実現するために相手が必要とするものをお互いが持っていることに気づいたときに始まりました。シェフィールドは、型破りなモーターの作成における UW-マディソンの知識を現実にするための印刷技術にアクセスできました。

シェフィールド大学のアレクサンダー グドール氏がこのコンセプトを考案し、ステーターの設計、開発、製造を行い、ウィスコンシン大学の研究者が包括的なテストを完了し、トルク密度の向上が示されました。

2022 年 10 月に印刷されたプロトタイプがテストされたとき、より少ない材料で可能であると考えられていたよりも大きなトルクが得られることが判明しました。 「質量が 30% 減少すると、トルクも低くなることが予想されますが、実際はそうではありませんでした」とニシャンス氏は言います。 「つまり、これは、このマシンで実際に正味トルク密度が向上することがわかっていることを示しています。これをさらに改善できれば、（より効率的な 3D プリント電気モーターの製造は）ゲームチェンジャーになるでしょう。」

電気モーターのステーターを作成する従来の方法では、電磁鋼板を打ち抜く積層プロセスが使用されます。 その結果、突起の上部に小さいながらも目に見える稜線を備えた積層体が積層されたステーターが得られます。

この方法は簡単に再現できますが、3% のシリコンを含む電気鋼合金の使用に依存する傾向があり、エネルギー損失率が高く効率が低下します。 米国エネルギー省が推奨する 6.5% のシリコンを含む電磁鋼合金は、エネルギー損失を低減しますが、より脆く、従来の積層プロセスに耐える可能性が低くなります。

しかし、3D プリントを使用すると、圧延中に大量の圧力をかける必要がなく、機械は 20 時間以内に 10 キロワットの小型試作ステーターに繊細なパターンをプリントできます。 これは電気自動車を走らせるのに十分なエネルギーではありませんが、このモデルは 40 キロワットまで簡単にスケールアップでき、それでも産業用プリンターでより高速に印刷できます。

アレクサンダー氏は次のように述べています。「このプロジェクトは、他の製造技術ではかつて不可能だった軽量で効率的な構造を備えた積層造形が電気機械にもたらす大きな可能性を示しました。 WEMPEC（ウィスコンシン大学マディソン校にある国際的に有名なパワーエレクトロニクス研究および電気機械研究グループ）のチームと協力して、このアイデアを現実にすることができて光栄でした。」