Lappeenranta University of Technology in Finland heeft 's werelds eerste prototype elektrische motor gebouwd met behulp van koolstof nanobuisgaren in de motorwikkelingen. De nieuwe technologie kan de prestaties aanzienlijk verbeteren.

Ingenieurs van LUT hebben 's werelds eerste elektrische motor geconstrueerd door een textielmateriaal aan te brengen; koolstof nanobuis garen. Het momenteel meest elektrisch geleidende koolstofnanobuisgaren vervangt de gebruikelijke koperdraden in de wikkelingen. Het motorprototype is gebouwd door de LUT Electrical Engineering-groep als een start naar lichtgewicht, efficiënte elektrische aandrijvingen.

Het uitgangsvermogen van de testmotor is 40 W, hij draait met 15000 tpm, en heeft een efficiëntie van bijna 70 %. In de nabije toekomst, koolstof nanobuisvezels hebben het potentieel om de prestaties en energie-efficiëntie van elektrische machines aanzienlijk te verbeteren. De nieuwe technologie kan een revolutie teweegbrengen in de hele industrie.

Onderzoekers zijn voortdurend op zoek naar mogelijkheden om de prestaties van elektrische machines te verbeteren; hiertoe, een van de doelstellingen is het vinden van draden met een hogere geleidbaarheid voor de wikkelingen. De beste koolstofnanobuisjes (CNT's) hebben geleidbaarheid aangetoond die veel verder gaat dan die van de beste metalen. Dus, toekomstige wikkelingen gemaakt van CNT's kunnen een dubbele geleidbaarheid hebben in vergelijking met de huidige koperen wikkelingen. Om CNT's gemakkelijk te manipuleren te maken, ze worden gesponnen om multivezelgaren te vormen.

"Als we de ontwerpparameters van elektrische machines ongewijzigd laten en alleen koper vervangen door toekomstige koolstofnanobuisdraden, het is mogelijk de Joule-verliezen in de wikkelingen terug te brengen tot de helft van de huidige machineverliezen. Koolstof nanobuisdraden zijn aanzienlijk lichter dan koper en ook milieuvriendelijker. Daarom, het vervangen van koper door nanobuisdraden zou de CO2-uitstoot bij de fabricage en bediening van elektrische machines aanzienlijk moeten verminderen. Verder, de machineafmetingen en massa's konden worden verminderd. De motoren zouden ook bij aanzienlijk hogere temperaturen kunnen worden gebruikt dan de huidige, " zegt professor Juha Pyrhönen, die het ontwerp van het prototype bij de LUT heeft geleid.

Geen duidelijke bovengrens voor de geleidbaarheid

traditioneel, de wikkelingen in elektrische machines zijn gemaakt van koper, die de op één na beste geleidbaarheid van metalen heeft bij kamertemperatuur. Ondanks de hoge geleidbaarheid van koper, een groot deel van de elektrische machineverliezen vindt plaats in de koperen wikkelingen. Om deze reden, de Joule-verliezen worden vaak koperverliezen genoemd. Het garen van koolstofnanobuisjes heeft geen duidelijke bovengrens voor geleidbaarheid (er zijn bijvoorbeeld al waarden van 100 MS/m gemeten).

Volgens Pyrhönen, de elektrische machines zijn zo alomtegenwoordig in het dagelijks leven dat we hun aanwezigheid vaak vergeten. Alleen al in een eengezinswoning kunnen tientallen elektrische machines in verschillende huishoudelijke apparaten zoals koelkasten, wasmachines, haardrogers, en ventilatoren.

"In de industrie, het aantal elektromotoren is enorm:er kunnen wel tienduizenden motoren in één procesindustrie-eenheid zitten. Al deze gebruiken koper in de wikkelingen. Bijgevolg, het vinden van een efficiënter materiaal om de koperen geleiders te vervangen zou leiden tot grote veranderingen in de industrie, " vertelt professor Pyrhönen.

Belangrijke innovatie voor de industrie

De prototypemotor maakt gebruik van koolstofnanobuisgarens die zijn gesponnen en omgezet in een geïsoleerde tape door een Japans-Nederlands bedrijf Teijin Aramid, die de spintechnologie heeft ontwikkeld in samenwerking met Rice University, de Verenigde Staten. De industriële toepassingen van het nieuwe materiaal staan ​​nog in de kinderschoenen; het opschalen van de productiecapaciteit samen met het verbeteren van de garenprestaties zal grote stappen in de toekomst vergemakkelijken, gelooft Business Development Manager Dr. Marcin Otto van Teijin Aramid, eens met professor Pyrhönen.

"Er is een aanzienlijk verbeteringspotentieel in de elektrische machines, maar we worden nu geconfronteerd met de grenzen van de materiële fysica die worden bepaald door traditionele opwindmaterialen. Supergeleiding lijkt zich niet tot een zodanig niveau te ontwikkelen dat het zou kunnen, in het algemeen, worden toegepast op elektrische machines. Carbonische materialen, echter, een pole position lijken te hebben:we verwachten dat in de toekomst, de geleidbaarheid van koolstof nanobuisgarens zou zelfs drie keer de praktische geleidbaarheid van koper in elektrische machines kunnen zijn. In aanvulling, koolstof is overvloedig, terwijl koper moet worden gewonnen of gerecycled door zware industriële processen."