Důvod spočívá v tom, že většina těchto pohonů má rotor a nehybný stator, který vytváří střídavé magnetické pole měnící se v čase. A pokaždé, když se musí magnetické vlastnosti krystalové struktury přeuspořádat, proces spotřebuje energii. Vzniká tak vnitřní tření, které produkuje teplo, tedy ztrátovou energii.
Někdo by mohl říct, že jde o přirozenou vlastnost materiálů a že se s určitými ztrátami u železných slitin musíme smířit. Výzkumníci ze Saarlandské univerzity se však s tímto vysvětlením nespokojili a hledali materiál, který by mohl zásadně změnit fungování motorů. Zaměřili se přitom na zcela odlišný typ kovu.
Amorfní řešení
Ač to zní jako protimluv, řešením by mohly být kovy se sklovitou strukturou, jak uvádí web Popular Mechanics. Profesor Ralf Busch a jeho tým vyvinuli slitiny, které by mohly nahradit konvenční kovové materiály. Jde o amorfní materiály, které při přemagnetování ztrácejí zanedbatelné množství energie.
„Ztráty dramaticky klesají, pokud jsou krystaly extrémně malé, tedy v řádu nanokrystalů, nebo pokud krystalová struktura zcela chybí, takže je materiál amorfní, podobný sklu,“ vysvětluje Busch v tiskovém prohlášení.
Pojem „kovové sklo“ může znít alespoň z hlediska pevnosti lehce absurdně, ale samotné sklo je vlastně velmi zvláštní materiál. Je pevné, ale jeho částice jsou neuspořádané podobně jako v kapalině, takže se někdy popisuje jako „zamrzlá kapalina“. Právě tato amorfní struktura vědce inspirovala k vytvoření materiálu, který může být dokonce pevnější než ocel. Pečlivým výběrem atomů při ochlazování v podstatě „zmrazili“ jejich neuspořádanou strukturu podobnou sklu.
Ukazuje se, že právě takové uspořádání je ideální pro minimalizaci energetických ztrát při přemagnetování. „Protože kovová skla neobsahují krystaly, tedy magnetické oblasti, nejsou ničím blokovány a mohou se volně přeuspořádat při změně magnetického pole,“ popisuje Busch s tím, že jejich magnetické vlastnosti jsou z tohoto důvodu mimořádně vhodné pro použití v elektromotorech.
Hledání ideální slitiny
Slitiny, s nimiž Buschův tým pracuje, patří mezi kovová skla s obsahem železa kolem 70 až 80 procent a lze je velmi přesně tvarovat pomocí běžných technik vstřikování nebo 3D tisku. Právě na ten se zaměřuje projekt Aditivní výroba amorfních kovů pro měkká magnetická jádra, financovaný Evropskou unií, přičemž získal 3,5 milionu eur (téměř 86 milionů korun). Najít ideální slitinu však nebylo jednoduché – materiál musel snadno přecházet do sklovitého stavu, mít vhodné vlastnosti pro motorové komponenty a zároveň být použitelný při 3D tisku.
„Průlom nastal zhruba před rokem, kdy se nám podařilo identifikovat tři slitiny, které odolávají krystalizaci a mají vlastnosti potřebné pro úspěšný tisk součástí motoru,“ dodává Busch. On sám přitom patří k průkopníkům tohoto oboru a dlouhodobě spolupracuje s NASA i Německým centrem pro letectví a kosmonautiku. Některé z jeho materiálů se testovaly na palubě Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) a jeho výzkumná skupina už drží několik patentů na nové, mimořádně pevné slitiny s unikátními vlastnostmi, k nimž nyní přidává další.
To, co funguje v laboratoři, ale nemusí být snadno realizovatelné v průmyslovém měřítku, proto se vědci soustředí na zdokonalení metody Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) a zvyšování její spolehlivosti a přesnosti. Pokud se jim to podaří, může to otevřít cestu k nové generaci elektrických motorů s výrazně vyšší účinností.
ČLÁNKY DO MAILU