Когда речь заходит о стекле, обычно представляется хрупкий и ломкий материал, а не основа для высоконагруженных электромеханических компонентов. Однако исследователи из Саарского университета в Германии применили стеклоподобный металл для значительного повышения эффективности электродвигателей.

Принцип работы электродвигателей и потери энергии

В электродвигателях, используемых в различных устройствах — от электрических зубных щеток до электромобилей, вращающийся ротор находится внутри неподвижного статора, создавая постоянно изменяющееся магнитное поле. Это приводит к многократной перестройке крошечных магнитных областей внутри металла. В материалах с кристаллической структурой этот процесс сопровождается внутренним сопротивлением, вызывающим микроскопическое трение и потери энергии в виде тепла, известные как железные потери.

Ограничения традиционных материалов

Современные двигатели обычно изготавливаются из мягких магнитных крупнозернистых железных сплавов. Несмотря на оптимизацию, такие сплавы сохраняют сравнительно высокие потери энергии при перемагничивании из-за гистерезиса. Для снижения этих потерь исследователи стремятся заменить традиционные кристаллические сплавы на аморфные, стеклоподобные материалы, которые практически не теряют энергию при изменении магнитного поля.

Особенности металлических стекол

В отличие от обычных металлов, металлические стекла не имеют кристаллической решётки. Их атомы расположены случайным образом, что делает структуру аморфной и схожей со стеклом. Отсутствие жёсткой кристаллической структуры позволяет магнитным доменам свободно переориентироваться при изменении магнитного поля, что значительно снижает потери энергии и уменьшает выделение тепла.

Прочность и производство

Несмотря на название, металлическое стекло часто прочнее стали. Термин «стекло» относится исключительно к аморфной атомной структуре материала. Такая структура достигается путём тщательного подбора состава, плавления и быстрого охлаждения расплава, чтобы атомы не успели организоваться в кристаллическую решётку.

Для производства компонентов электродвигателей команда использовала лазерное послойное спекание порошка — разновидность 3D-печати металлом. В этом процессе металлический порошок сплава плавится лазером слой за слоем и быстро охлаждается, сохраняя аморфное, стеклоподобное состояние. Такой подход позволяет сохранить необходимые магнитные свойства материала.

Разработка новых сплавов

Ключевой задачей проекта было получение металлического стеклянного сплава с нужными характеристиками для замены традиционных материалов электродвигателей и пригодного для 3D-печати. Исследователи протестировали сотни сплавов на устойчивость к кристаллизации и определили три состава, подходящих для надёжного изготовления полностью стеклоподобных металлических компонентов двигателей.

Потенциальное влияние

Учитывая широкое распространение электродвигателей, внедрение новых материалов может привести к созданию более эффективных и долговечных двигателей с меньшими потерями энергии и сниженным тепловыделением. Это открывает возможности для производства более быстрых и энергоэффективных электромобилей, дронов с увеличенным временем полёта, электровелосипедов с большим запасом хода и промышленных машин с меньшим энергопотреблением при высокой производительности.

Финансирование и поддержка

Проект поддерживается Европейским союзом и получил более 3,5 миллиона евро в рамках консорциума AM2SoftMag (Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics).