Investigadores de Sheffield desarrollan un motor eléctrico impreso en 3D más ligero

Oct 22, 2023

Investigadores de la Universidad de Sheffield, en colaboración con colaboradores de la Universidad de Wisconsin-Madison, han desarrollado el prototipo de un nuevo motor eléctrico impreso en 3D, más ligero y más eficiente, utilizando tecnología de impresión 3D de metal PBF asequible, allanando el camino para que los futuros motores eléctricos aumenten su rendimiento. energía usando menos material.

La demanda de motores eléctricos está creciendo rápidamente y estas innovaciones son cruciales para ser pioneros en las próximas fases de la electrificación del transporte, por ejemplo para los aviones, donde las baterías deberán ser más livianas y los motores deberán ser más eficientes energéticamente.

El prototipo, que utiliza un acero eléctrico con un mayor porcentaje de silicio que reduce las pérdidas de energía, fue diseñado como parte de una colaboración entre Alexander Goodall, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; El asistente de investigación postdoctoral de UW-Madison, FNU Nishanth, y sus asesores, el profesor Iain Todd y Eric Severson.

El diseño del prototipo consiste en un estator, un objeto de forma circular con puntas alrededor de las cuales se pueden enrollar cables para crear un campo magnético. La mayor diferencia de diseño entre el prototipo y los estatores tradicionales se puede ver en las propias puntas, ya que presentan un diseño intrincado de finas líneas geométricas destinadas a reducir la pérdida de energía.

Alexander inició la colaboración cuando conoció a Nishanth en una conferencia en 2020 y se dio cuenta de que tenían lo que el otro necesitaba para realizar este proyecto: Sheffield tenía acceso a la tecnología de impresión para hacer realidad el conocimiento de UW-Madison en la creación de motores no convencionales.

Alexander Goodall, de la Universidad de Sheffield, ideó el concepto y diseñó, desarrolló y fabricó el estator, mientras que los investigadores de la Universidad de Wisconsin completaron pruebas exhaustivas que mostraron una mejora en la densidad de par.

Cuando se probó el prototipo impreso en octubre de 2022, se descubrió que daba más torque del que pensaban que era posible con menos material. "Cuando tienes un 30% menos de masa, esperarías que tu par también fuera menor... pero ese no fue el caso", dijo Nishanth. "Entonces, esto demuestra que sabes que realmente vas a lograr una mejora neta en la densidad de torque en esta máquina y si podemos mejorar esto aún más (fabricar un motor eléctrico impreso en 3D más eficiente) sería un punto de inflexión".

Los métodos tradicionales para crear estatores en motores eléctricos utilizan un proceso de laminación, en el que se estampan láminas de acero eléctrico. Lo que se obtiene como resultado es un estator repleto de laminaciones con líneas de cresta pequeñas pero visibles en la parte superior de las puntas.

Ese método, aunque fácil de replicar, tiende a depender del uso de una aleación de acero eléctrico con un 3% de silicio, lo que genera mayores tasas de pérdida de energía y menor eficiencia. Una aleación de acero eléctrico fabricada con un 6,5% de silicio, recomendada por el Departamento de Energía de EE. UU., reduce las pérdidas de energía pero es más frágil y es menos probable que resista el proceso de laminación tradicional.

Pero con la impresión 3D, no es necesario ejercer toneladas de presión durante el laminado y la máquina puede imprimir el delicado patrón en el pequeño estator prototipo de 10 kilovatios en 20 horas. Si bien eso no sería suficiente energía para hacer funcionar un vehículo eléctrico, el modelo podría ampliarse fácilmente hasta alcanzar los 40 kilovatios y aún así imprimirse más rápido en una impresora industrial.

Alexander dijo: “Este proyecto ha demostrado el gran potencial que tiene la fabricación aditiva para las máquinas eléctricas, con estructuras ligeras y eficientes que nunca antes habían sido posibles utilizando ninguna otra técnica de fabricación. Fue un placer trabajar con el equipo de WEMPEC (un grupo de investigación de máquinas eléctricas y electrónica de potencia de renombre internacional ubicado en UW-Madison) para convertir esta idea en realidad”.