Des chercheurs de Sheffield développent un moteur électrique imprimé en 3D plus léger

Oct 22, 2023

Des chercheurs de l'Université de Sheffield, en collaboration avec des collaborateurs de l'Université du Wisconsin-Madison, ont développé le prototype d'un nouveau moteur électrique imprimé en 3D, plus léger et plus efficace, utilisant la technologie d'impression 3D PBF métallique abordable, ouvrant la voie aux futurs moteurs électriques pour augmenter leur puissance. puissance en utilisant moins de matériaux.

La demande de moteurs électriques augmente rapidement et ces innovations sont cruciales pour ouvrir la voie aux prochaines phases d’électrification des transports, par exemple pour les avions, où les batteries devront être plus légères et les moteurs plus économes en énergie.

Le prototype, qui utilise un acier électrique à pourcentage plus élevé de silicium qui réduit les pertes d'énergie, a été conçu dans le cadre d'une collaboration entre Alexander Goodall, doctorant au Département de science et d'ingénierie des matériaux ; FNU Nishanth, assistant de recherche postdoctoral à l'UW-Madison, et leurs conseillers, le professeur Iain Todd et Eric Severson.

Le prototype consiste en un stator, un objet de forme circulaire doté de broches autour desquelles des fils peuvent être enroulés pour créer un champ magnétique. La plus grande différence de conception entre le prototype et les stators traditionnels réside dans les broches elles-mêmes, car elles présentent une conception complexe de fines lignes géométriques destinées à réduire les pertes d'énergie.

La collaboration a été initiée par Alexander lorsqu'il a rencontré Nishanth lors d'une conférence en 2020 et a réalisé qu'ils avaient ce dont l'autre avait besoin pour réaliser ce projet : Sheffield avait accès à la technologie d'impression pour faire des connaissances de l'UW-Madison dans la création de moteurs non conventionnels une réalité.

Alexander Goodall de l'Université de Sheffield a eu l'idée du concept et a conçu, développé et fabriqué le stator, tandis que des chercheurs de l'Université du Wisconsin effectuaient des tests complets démontrant une amélioration de la densité de couple.

Lorsque le prototype imprimé a été testé en octobre 2022, il a été constaté qu’il produisait plus de couple que ce qu’ils pensaient possible avec moins de matériau. "Lorsque vous avez une masse inférieure de 30 %, vous vous attendriez à ce que votre couple soit également inférieur… mais ce n'était pas le cas", a déclaré Nishanth. "Donc, cela montre que vous savez que vous allez réellement améliorer la densité de couple nette dans cette machine et si nous pouvons encore améliorer cela (en créant un moteur électrique imprimé en 3D plus efficace) cela changerait la donne."

Les méthodes traditionnelles de création de stators dans les moteurs électriques utilisent un processus de laminage, dans lequel des feuilles d'acier électrique sont embouties. Le résultat est un stator empilé de tôles avec des lignes de crête minuscules mais visibles sur le dessus des broches.

Cette méthode, bien que facilement reproductible, a tendance à reposer sur l’utilisation d’un alliage d’acier électrique contenant 3 % de silicium, ce qui entraîne des taux de perte d’énergie plus élevés et une efficacité moindre. Un alliage d'acier électrique composé de 6,5 % de silicium, recommandé par le département américain de l'Énergie, réduit les pertes d'énergie mais est plus cassant et est moins susceptible de résister au processus de stratification traditionnel.

Mais avec l’impression 3D, il n’est pas nécessaire d’exercer des tonnes de pression pendant le laminage et la machine peut imprimer le motif délicat sur le petit stator prototype de 10 kilowatts en 20 heures. Bien que cela ne suffise pas pour faire fonctionner un véhicule électrique, le modèle pourrait être facilement agrandi pour atteindre 40 kilowatts tout en étant imprimé plus rapidement sur une imprimante industrielle.

Alexander a déclaré : « Ce projet a montré le grand potentiel de la fabrication additive pour les machines électriques, avec des structures légères et efficaces qui n'avaient jamais été possibles auparavant avec aucune autre technique de fabrication. Ce fut un plaisir de travailler avec l'équipe de WEMPEC (un groupe de recherche en électronique de puissance et en machines électriques de renommée internationale situé à l'UW-Madison) pour transformer cette idée en réalité »