Dei ricercatori di Sheffield hanno sviluppato un motore elettrico stampato in 3D più leggero
Il prototipo sfrutta DfAM e un acciaio elettrico al silicio a percentuale più elevata che riduce le perdite di energia
I ricercatori della Sheffield University, in collaborazione ll’Università del Wisconsin-Madison, hanno sviluppato il prototipo di un nuovo motore elettrico stampato in 3D, più leggero ed efficiente, utilizzando la tecnologia di stampa 3D PBF in metallo a prezzi accessibili, aprendo la strada ai futuri motori elettrici per aumentare la loro potenza utilizzando meno materiale.
La domanda di motori elettrici è in rapida crescita e queste innovazioni sono fondamentali per aprire la strada alle prossime fasi dell’elettrificazione dei trasporti, ad esempio per gli aeroplani, dove le batterie dovranno essere più leggere e i motori dovranno essere più efficienti dal punto di vista energetico.
Il prototipo, che utilizza una percentuale più alta di acciaio elettrico al silicio che riduce le perdite di energia, è stato progettato nell’ambito di una collaborazione tra Alexander Goodall, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria; UW-Madison assistente di ricerca post-dottorato FNU Nishanth e i loro consulenti, il professor Iain Todd e Eric Severson.
Il progetto del prototipo consiste in uno statore, un oggetto di forma circolare con rebbi intorno ai quali i fili possono essere avvolti per creare un campo magnetico. La più grande differenza di design tra il prototipo e gli statori tradizionali può essere vista nei rebbi stessi, in quanto presentano un intricato design di sottili linee geometriche volte a ridurre la perdita di energia.
La collaborazione è stata avviata da Alexander quando ha incontrato Nishanth a una conferenza nel 2020 e si è reso conto di avere ciò di cui l’altro aveva bisogno per realizzare questo progetto: Sheffield aveva accesso alla tecnologia di stampa per trasformare in realtà la conoscenza di UW-Madison nella creazione di motori non convenzionali.
Alexander Goodall dell’Università di Sheffield ha ideato il concetto e ha progettato, sviluppato e prodotto lo statore, mentre i ricercatori dell’Università del Wisconsin hanno completato test completi, mostrando un miglioramento della densità di coppia.
Quando il prototipo stampato è stato testato nell’ottobre 2022, si è scoperto che forniva più densità di quanto si pensasse fosse possibile con meno materiale. “Quando hai una massa inferiore del 30%, ti aspetteresti che anche la tua densità sia inferiore… ma non era così”, ha detto Nishanth. “Quindi, questo dimostra che sai che stai effettivamente andando a migliorare la densità di coppia netta in questa macchina e se possiamo migliorare ulteriormente questo, (realizzare un motore elettrico stampato in 3D più efficiente) sarebbe un punto di svolta”.
I metodi tradizionali di creazione degli statori nei motori elettrici utilizzano un processo di laminazione, in cui i fogli di acciaio elettrico vengono stampati. Quello che ottieni come risultato è uno statore impilato con lamierini con linee di cresta minuscole ma visibili sulla parte superiore dei rebbi.
Tale metodo, sebbene facilmente replicabile, tende a fare affidamento sull’utilizzo di una lega di acciaio elettrico con il 3% di silicio, che si presta a tassi più elevati di perdita di energia e minore efficienza. Una lega di acciaio elettrico realizzata con il 6,5% di silicio, raccomandata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, riduce le perdite di energia ma è più fragile e ha meno probabilità di resistere al tradizionale processo di laminazione.
Ma con la stampa 3D, non è necessario esercitare tonnellate di pressione durante il rotolamento e la macchina può stampare il delicato motivo sul piccolo statore prototipo da 10 kilowatt entro 20 ore. Anche se non sarebbe abbastanza energia per far funzionare un veicolo elettrico, il modello potrebbe essere facilmente scalato fino a raggiungere i 40 kilowatt e comunque stampato più velocemente su una stampante industriale.
Alexander ha dichiarato: “Questo progetto ha dimostrato il grande potenziale che la produzione additiva ha per le macchine elettriche, con strutture leggere ed efficienti che non erano mai state possibili prima utilizzando qualsiasi altra tecnica di produzione. È stato un piacere lavorare con il team di WEMPEC (un gruppo di ricerca sull’elettronica di potenza e sulle macchine elettriche di fama internazionale con sede a UW-Madison) per trasformare questa idea in realtà”.
