Исследователи из Саарского университета в Германии (UdS) нашли способ повысить эффективность электродвигателей с помощью необычного материала — металлического стекла.
«Мы ищем способы снизить потери энергии в двигателях, улучшая материалы для ротора и статора. Традиционные сплавы железа демонстрируют значительные потери при перемагничивании. Металлическое стекло почти не теряет энергию, когда его магнитные области перестраиваются», — объясняет профессор Ральф Буш, руководитель проекта.
Почему обычные металлы теряют энергию
В каждом электродвигателе ротор вращается внутри статора, создавая постоянно меняющееся магнитное поле. В обычных металлах кристаллическая структура сопротивляется перестройке магнитных доменов, что вызывает микроскопическое трение и превращает часть энергии в тепло. Часть энергии уходит впустую из-за сопротивления металла изменениям магнитного поля.
Аморфная структура металлического стекла решает эту проблему: атомы расположены хаотично, а не в строгой решетке. Магнитные домены свободно меняют ориентацию, почти без сопротивления.
«Магнитные области, известные как домены Вейсса, не блокируются, поэтому свойства материала идеально подходят для двигателей», — добавляет Буш.
Прочность и производство
Название «металлическое стекло» вводит в заблуждение. На самом деле материал часто прочнее стали. Он приобретает аморфную структуру благодаря тщательному подбору компонентов и быстрому охлаждению расплава, что предотвращает образование кристаллов.
Для создания деталей двигателей команда использовала лазерное спекание порошка — разновидность 3D-печати металлом. Порошок расплавляется лазером слой за слоем, затем быстро застывает в стеклообразное состояние. Этот процесс критически важен, чтобы сохранить аморфную структуру и магнитные свойства.
Путь к рабочему сплаву
Поиск подходящего материала был сложным. Команда тестировала сотни комбинаций элементов, чтобы найти сплавы, устойчивые к кристаллизации и пригодные для 3D-печати.
«В случае пятимерного сплава нужно было исследовать весь набор комбинаций. Если материал не подходил, приходилось начинать заново», — рассказывает Буш.
В итоге ученые выделили три состава, подходящих для изготовления полностью стеклоподобных компонентов. Их использование делает двигатели более энергоэффективными, долговечными и менее нагревающимися.
Возможные применения
По словам ученых, потенциал этого открытия огромен. Металлические стекла могут улучшить электромобили, увеличивая дальность поездки, сделать дроны с более длительным временем полета, повысить эффективность электровелосипедов и сократить расход энергии в промышленном оборудовании.
Инженер создал материал для защиты астронавтов от космической радиации
Китай запустил массовое производство углеродного волокна в 10 раз прочнее стали
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram