Ge3Dgeprinte stator laat ‘tanden’ zien

Onderzoekers aan de Universiteit van Sheffield hebben samen met collega’s van de Universiteit van Wisconsin Madison een elektrische motor ontwikkeld met ge3Dprinte stator. Het resultaat zou in de toekomst kunnen leiden tot lichtere elektrische motoren met meer vermogen dan verwacht.

De stator is het resultaat van de samenwerking tussen Alexander Goodall, promovendus aan de afdeling Materiaalwetenschappen en Technologie van Sheffield en postdoctoraal onderzoeksassistent FNU Nishanth van UW-Madison en hun adviseurs, professor Iain Todd en Eric Severson. ‘Sheffield' had toegang tot de printtechnologie om de kennis van ‘Wisconsin' in het creëren van onconventionele motoren werkelijkheid te maken. Goodall bedacht het concept, ontwierp, ontwikkelde en produceerde de stator; de onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin hebben de stator uitgebreid aan de tand gevoeld.

Tanden

Het prototypeontwerp bestaat uit een ge3Dpinte stator uit elektrisch staal met een hoger percentage silicium dan gebruikelijk om de energieverliezen te verminderen. De stator is uitgevoerd met tanden. Hier omheen wordt de draad gewikkeld om het elektrisch veld op te wekken. Het grootste verschil in ontwerp tussen het prototype en traditionele stators is te zien in de tanden zelf, die een ingewikkeld ontwerp van dunne geometrische lijnen hebben om energieverlies te beperken.

‘Game-changer'?

Tijdens de tests van het geprinte prototype in oktober, bleek dat het meer koppel opleverde dan ze voor mogelijk hielden met minder materiaal. "Wanneer je 30 procent minder massa hebt, zou je verwachten dat je koppel ook lager zou zijn ... maar dat was niet het geval,", aldus Nishanth. "Dus dit laat zien dat je weet dat je eigenlijk een netto verbetering van de koppeldichtheid krijgt (..)en als we dit nog verder kunnen verbeteren, zou het maken van een efficiëntere motor een ‘game-changer' zijn."

Opschalen

Traditionele methodes om stators in elektromotoren te maken gebruiken een lamineerproces, waarbij platen elektrisch staal worden uitgestanst. Het resultaat is een stator die gestapeld is met laminaten met kleine maar zichtbare ribbeltjes aan de bovenkant van de tanden. Deze methode, die gemakkelijk na te maken is, is gebaseerd op het gebruik van een legering van elektrisch staal met 3 procent silicium, wat leidt tot meer energieverlies en minder efficiëntie. Een elektrische staallegering met 6,5 procent silicium, aanbevolen door het Amerikaanse Ministerie van Energie, vermindert energieverlies maar is brozer en minder goed bestand tegen het traditionele lamineerproces.
Maar met 3D-printen is het niet nodig om tonnen druk uit te oefenen tijdens het walsen. De machine kan het delicate patroon binnen 20 uur printen op de kleine 10-kW prototype stator. Hoewel dat niet genoeg energie is om een elektrisch voertuig te laten rijden, kan het model gemakkelijk worden opgeschaald naar 40 kW en sneller worden geprint op een industriële printer.

WEMPEC

Alexander: "Dit project heeft het grote potentieel aangetoond dat additive manufacturing heeft voor elektrische machines, met lichtgewicht, efficiënte structuren die nooit eerder mogelijk waren met een andere productietechniek. Het was een genoegen om samen te werken met het team van WEMPEC (een internationaal gerenommeerde onderzoeksgroep voor vermogenselektronica en elektrische machines van UW-Madison - red.) om dit idee werkelijkheid te laten worden".