Создан высокоэффективный двигатель на основе аморфного металла

Hitachi Ltd. представила прототип двигателя, который использует сердечник, изготовленный из аморфного металла. Этот высокоэффективный мотор не использует магниты из редкоземельных металлов, таких как неодим или диспрозий. Эффективность составила 86% для прототипа 150-Вт двигателя, часто применяемого в кондиционерах. Эффективность существующих образцов с редкоземельными магнитами производства Hitachi достигает 81%, по данным компании.

Такие моторы, как ожидается, будут широко представлены в различных областях, включая промышленное оборудование, потребительскую электронику и автомобили. В настоящий момент на двигатели приходится около половины всей потребляемой энергии, поэтому повышение их эффективности является важной задачей при решении вопроса экономии энергии. Для достижения высоких характеристик используют редкоземельные металлы. В частности, широкое применение нашли Nd-Fe-B-магниты. Для сохранения характеристик при высокой температуре в состав основанных на неодиме магнитов вводят диспрозий.

Однако, несмотря на то, что потенциал для увеличения эффективности за счет применения редкоземельных магнитов сохраняется, рост цен на них становится серьезной проблемой. "Цены сейчас стали более стабильными после резкого роста в прошлом, но они слишком высоки", — заявляют в Hitachi. Цена одного килограмма неодима и диспрозия выросла втрое до $30 и впятеро до $155, соответственно, в период с сентября 2004 по сентябрь 2008 года. Цены остаются на высоком уровне из-за того, что 90% всех редкоземельных металлов добывается в Китае. При этом цена имеет тенденцию к росту, поскольку Китай превращается из страны-производителя в страну-потребитель.

Стальные сердечники с катушками при пропускании по ним электрического тока вращают ротор с постоянными магнитами и генерируют момент на валу двигателя. В существующих системах используются сердечники, набираемые из листов магнитной стали, а основанные на неодиме магниты применяют в роторе. На этот раз эффективность двигателя была повышена за счет малых потерь в аморфном металле и новой структуры мотора.

В прототипе мотора сердечник был выполнен из аморфного металла, что позволило использовать ротор с ферритовыми магнитами. Дело в том, что магнитная проницаемость аморфного металла в 10 раз выше, чем у листов электротехнической стали, а потери энергии не превышают десятой доли потерь шихтованной конструкции из стали. При повышении магнитной проницаемости сердечников высокое значение магнитной индукции может быть достигнуто применением слабых магнитов.

Серьезной проблемой аморфных металлов является сложность в обработке резанием. При использовании листов магнитной стали в сердечниках их изготовляют толщиной 0,35-0,50 мм для сокращения потерь. В то время как толщина аморфного металла составляет 25 мкм, что свыше чем в 4 раза более трудоемко по HV.

С другой стороны, Hitachi внесла изменения в структуру и технологию производства сердечников, воспользовавшись опытом производства трансформаторов с аморфными металлами в шихтованных сердечниках. Структура всего двигателя была оптимизирована при помощи трехмерного магнитного анализа взамен двухмерного.

Ближайшая цель разработчика заключается в коммерциализации технологии в течение ближайших трех лет для использования в промышленном оборудовании. В будущем планируется повысить надежность и снизить затраты на производство. Также необходимо расширить диапазон мощностей для большего распространения технологии. "Мы сможем производить двигатели классом 10 кВт", — говорят в компании.