Бельгийский консорциум в составе Гентского университета, KU Leuven и исследовательской организации VITO начал работу над проектом Additive Manufacturing for Electrical Machines (AM4EM — аддитивное производство для электрических машин). Проект направлен на увеличение до 40% мощности и до 5% энергоэффективности у электрических автомобилей.
Впервые изучением возможности аддитивного производства обмоток и отдельных компонентов электродвигателей занялась немецкая компания Additive Drives совместно с несколькими автомобильными концернами. Команде инженеров и ученых уже удалось добиться более высокой эффективности и производительности приводов. Предполагается, что в дальнейшем модернизированными моторами будут оснащать не только автомобили, но и велосипеды, промышленное оборудование и другую технику.
Тонкости функционирования электродвигателя и способы оптимизации его работы
Конструкция любого типа электрического мотора включает статор, который создает магнитное поле и ротор (обмотку), выполняющую функцию токопроводящего вращательного контура. Ротор размещается в воздушном зазоре внутри статора. Его плавное вращение обеспечивает подшипник. При запуске двигателя по обмоткам ротора начинает идти ток. Магнитное поле воздействует на обмотку в разных направлениях, за счет чего создается крутящий момент, передающий вращение на вал.
С момента создания первого электрического двигателя прошло более 100 лет. С того времени были изобретены разные модели моторов: постоянного и переменного тока, сверхмалые и габаритные. Для максимального КПД инженеры усовершенствовали конструкцию, геометрию и отдельные детали двигателей.
Однако работы по оптимизации не прекращаются. Так, трио бельгийских исследовательских групп начала применять 3D-печать с использованием различных материалов при изготовлении обмоток, сердечника и других деталей. При такой технологии возможно нанесение различных материалов послойно, смешивание сырья для получения составов с новыми свойствами. Инженеры надеются, что им удастся найти способы уменьшения потерь магнитной, электрической и механической энергии для более эффективной работы электродвигателей. Каждая из исследовательских организаций уже представила свои разработки.
Медная печать от VITO
VITO — фламандская исследовательская организация, занимающаяся углубленным изучением 3D-печати с 2006 года. Одно из направлений ее деятельности — печать пастами керамических, металлических и полимерных деталей. Ключевое достижение компании в этой области — получение чистой печатной меди из пасты. Из отчета следует, что в процессе микроэкструзионной 3D-печати медной пастой удалось получить детали без внешних дефектов с относительной плотностью 95-99% и высокой электропроводностью — 90-102%.
Образец распечатанного с помощью меди изделия
Еще одна разработка VITO — трехмерная печать Fe-Si (электротехническая сталь, которая часто используется для изготовления сердечника двигателя). Сейчас исследовательская группа занята работами над 3D-печатью сердечника, при которой происходит чередование двух слоев: керамического и Fe-Si. Пока у команды не получилось достичь желаемого результата: на данный момент детали получаются с браком, у них наблюдается значительное искривление за счет усадки материала. Однако исследователи не сдаются и надеются, что в скором времени им удастся усовершенствовать сердечник.
Напечатанная с помощью электротехнической стали часть сердечника двигателя
Медная печать из связанной металлической нити от KU Leuven
В то время как VITO занимается экструзией пасты, KU Leuven работает над технологией FDM (моделированием методом послойного наплавления) с использованием металла и керамики. Эта технология аналогична процессу печати различными металлами, который используют компании Desktop Metal, Nanoe и Markforged. Исследователи также пытались комбинировать несколько разных материалов в одном отпечатке. Работы в этом направлении продолжаются. В свою очередь команда Гентского университета занята оптимизацией конструкции электродвигателей с целью увеличения магнитного потока.
Медный оттиск из связанной металлической нити от KU Leuven.
Ученые надеются, что плодотворная совместная работа трех исследовательских групп позволит добиться поставленной цели: увеличить энергоэффективность и мощность двигателей.
«Нам нравится работать над проектом по модернизации электромоторов. С учетом масштабов производства двигателей даже небольшая оптимизация может оказаться важной. Конечно, мы понимаем, что в случае незначительной модернизации производители двигателей скорее всего откажутся от применения новой технологии.
Если все же удастся достичь поставленной цели по увеличению мощности установок, то вполне вероятно внедрение новой аддитивной технологии в массовое производство. Здесь преимуществом будет выступать не только получение модернизированных двигателей, но и возможность сокращения затрат на их изготовление, поскольку печать нитями и пастами относится к недорогим технологиям. Пока эти два метода 3D-печати имеют недостатки, например, недостаточную автоматизацию. Однако при нивелировании минусов производства в будущем вполне реально изготавливать рентабельные детали», — считают исследователи.
