Inštitut
L7-70278 - Napredna aditivna proizvodnja za komponente elektromotorjev z zmanjšanimi energijskimi izgubami
Advanced Additive Manufacturing for Custom Electric Motor Components with Reduced Energy Losses
|
|
Električni motorji so ključni gradniki sodobne industrije, prometa in energetike, hkrati pa predstavljajo enega največjih porabnikov električne energije. Učinkovitost motorjev je zato neposredno povezana z zmanjševanjem porabe energije in emisij CO₂. Pomemben delež izgub nastaja v magnetnih jedrih, kjer konvencionalna izdelava iz tankih, štancanih in zloženih pločevin omejuje tako geometrijo komponent kot tudi možnosti optimizacije materiala. |
Slika 1. Shematski prikaz elektromotorja in njegovih ključnih sestavnih delov.
Izziv in raziskovalna ideja
Mehkomagnetna Fe-Si jekla z večjo vsebnostjo silicija imajo zelo ugodne magnetne lastnosti, vendar postanejo pri vsebnosti nad približno 3 mas. % Si zelo krhka in jih je težko izdelovati s klasičnim valjanjem. Projekt zato uvaja aditivno proizvodnjo kovin s postopkom PBF-LB/M kot način, s katerim je mogoče obiti omejitve konvencionalne predelave ter izdelati kompleksne, po meri zasnovane komponente neposredno iz mehkomagnetnih materialov.
Osrednji cilj projekta je razviti 3D-natisnjene dele elektromotorjev z zmanjšanimi magnetnimi izgubami. Raziskave bodo usmerjene v nadzor kemijske sestave, mikrostrukture in kristalografske teksture materiala ter v oblikovanje kanalne poroznosti, ki naj bi pri 3D-natisnjenih delih posnemala izolacijski učinek med posameznimi lamelami klasičnega električnega jekla in tako zmanjšala izgube zaradi vrtinčnih tokov.
Kaj bomo razvijali?
• Fe-3Si kot referenčni material: optimizacija parametrov PBF-LB/M, teksture in načrtovane kanalne poroznosti v primerjavi s konvencionalno izdelanim električnim jeklom.
• Fe-Si z visoko vsebnostjo silicija: izdelava in preskušanje zlitin z 6–12 mas. % Si, kar s klasičnimi postopki zaradi krhkosti materiala praktično ni izvedljivo.
• Fe-Si-B kovinska stekla: razvoj amorfnih oziroma delno amorfnih mehkomagnetnih materialov, pri katerih hitra solidifikacija med PBF-LB/M omogoča zelo ugodne magnetne lastnosti.
• Nadzor teksture in procesa: povezovanje procesnih parametrov, temperature taline, toplotne obdelave in kristalografske orientacije za doseganje čim nižjih magnetnih izgub.
• Demonstrator rotorja: izbor najobetavnejšega materiala in procesnih parametrov ter izdelava 3D-natisnjenega jedra rotorja za testiranje v realnem elektromotorju.
Slika 2. Koncept projekta: primerjava klasičnega električnega jekla z več PBF-LB/M pristopi, karakterizacija in magnetno testiranje ter izdelava in preskus rotorja elektromotorja.
Od materiala do delujočega elektromotorja
Projekt povezuje razvoj materialov, atomizacijo kovinskih prahov, 3D-tiskanje, toplotno obdelavo, napredno mikroskopsko karakterizacijo, mehanske preskuse ter meritve magnetnih lastnosti. Poseben poudarek bo namenjen razumevanju povezave med procesnimi parametri PBF-LB/M, nastalo mikrostrukturo in kristalografsko teksturo ter elektromagnetnimi lastnostmi materiala. Najobetavnejša rešitev bo uporabljena za izdelavo rotorja, ki bo nato preizkušen v elektromotorju v industrijsko relevantnih pogojih.
Pričakovani učinek
Projekt lahko odpre novo pot do učinkovitejših, lažjih in geometrijsko prilagojenih električnih strojev. Aditivna proizvodnja omogoča skoraj net-shape izdelavo z bistveno manj materialnega odpada ter svobodo oblikovanja, ki je pri klasično laminiranih jedrih ni mogoče doseči. Cilj je pokazati, da je mogoče z ustreznim načrtovanjem materiala, teksture in notranje geometrije zmanjšati magnetne izgube ter hkrati ohraniti mehansko in funkcionalno primernost komponent za realne aplikacije.
Sodelujoče organizacije: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije (IMT), Kemijski inštitut (KI), Institut »Jožef Stefan« (IJS) in SIJ ACRONI d.o.o.; končno testiranje rotorja je predvideno v sodelovanju z industrijskim izvajalcem za elektromotorje.
