I ricercatori di Sheffield sviluppano un motore elettrico stampato in 3D più leggero

Oct 22, 2023

I ricercatori dell’Università di Sheffield, lavorando con collaboratori dell’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 un acciaio elettrico al silicio con una percentuale più elevata che riduce le perdite di energia, è stato progettato come parte di una collaborazione tra Alexander Goodall, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali; L'assistente di ricerca post-dottorato FNU Nishanth dell'UW-Madison e i loro consulenti, il professor Iain Todd e Eric Severson.

Il progetto del prototipo è costituito da uno statore, un oggetto di forma circolare con poli attorno ai quali i fili possono essere avvolti per creare un campo magnetico. La più grande differenza progettuale tra il prototipo e gli statori tradizionali può essere vista nei poli stessi, poiché presentano un design intricato di sottili linee geometriche destinate a ridurre la perdita di energia.

La collaborazione è stata avviata da Alexander quando ha incontrato Nishanth in una conferenza nel 2020 e si è reso conto che avevano 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 approfonditi, mostrando un miglioramento nella densità di coppia.

Quando il prototipo stampato è stato testato nell'ottobre 2022, si è scoperto che forniva più coppia di quanto si pensava fosse possibile con meno materiale. "Quando hai una massa inferiore del 30%, ti aspetteresti che anche la tua coppia sia inferiore... ma non è stato così", ha detto Nishanth. “Quindi, questo dimostra che sai che otterrai effettivamente un miglioramento netto della densità di coppia in questa macchina e se potessimo migliorarlo ulteriormente, (creando un motore elettrico stampato in 3D più efficiente) sarebbe un punto di svolta.”

I metodi tradizionali per creare statori nei motori elettrici utilizzano un processo di laminazione, in cui vengono stampati fogli di acciaio elettrico. Ciò che ottieni come risultato è uno statore impilato di laminazioni con linee di cresta minuscole ma visibili sulla parte superiore dei poli.

Questo metodo, sebbene facilmente replicabile, tende a basarsi sull’uso di una lega di acciaio elettrico con il 3% di silicio al suo interno, che porta a tassi più elevati di perdita di energia e a una 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 la laminazione e la macchina può stampare il delicato motivo sul piccolo statore prototipo da 10 kilowatt entro 20 ore. Anche se l’energia non sarebbe sufficiente per far funzionare un veicolo elettrico, il modello potrebbe essere facilmente ampliato 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 nessun’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 presso UW-Madison) per trasformare questa idea in realtà”