셰필드 연구원, 더 가벼운 3D 프린팅 전기 모터 개발

Oct 22, 2023

위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스의 공동연구자들과 협력하는 셰필드대학교 연구원들은 저렴한 금속 PBF 3D 프린팅 기술을 사용하여 새롭고 더 가볍고 효율적인 3D 프린팅 전기 모터의 프로토타입을 개발했습니다. 더 적은 재료를 사용하여 전력을 공급합니다.

전기 모터에 대한 수요는 빠르게 증가하고 있으며, 이러한 혁신은 배터리는 더 가벼워지고 모터는 더 에너지 효율적이어야 하는 항공기 등 운송 전기화의 다음 단계를 개척하는 데 매우 중요합니다.

에너지 손실을 줄이는 고비율 실리콘 전기강판을 사용하는 프로토타입은 재료과학 및 공학과 박사과정 학생인 Alexander Goodall과의 협력의 일환으로 설계되었습니다. UW-Madison 박사후 연구 조교인 FNU Nishanth와 그들의 고문인 Iain Todd 교수와 Eric Severson.

프로토타입 디자인은 자기장을 생성하기 위해 와이어를 감쌀 수 있는 갈래가 있는 원형 모양의 물체인 고정자로 구성됩니다. 프로토타입과 기존 고정자의 가장 큰 디자인 차이점은 갈래 자체에서 볼 수 있습니다. 갈래는 에너지 손실을 줄이기 위한 얇은 기하학적 선의 복잡한 디자인을 특징으로 합니다.

이 협력은 Alexander가 2020년 회의에서 Nishanth를 만났을 때 시작되었으며 서로가 이 프로젝트를 실현하는 데 필요한 것이 무엇인지 깨달았습니다. Sheffield는 UW-Madison의 독특한 모터 제작 지식을 현실로 만들기 위해 인쇄 기술에 접근할 수 있었습니다.

셰필드 대학교의 알렉산더 구달(Alexander Goodall)이 이 개념을 고안하고 고정자를 설계, 개발 및 제조했으며, 위스콘신 대학교의 연구원들은 포괄적인 테스트를 완료하여 토크 밀도가 향상되었음을 보여주었습니다.

2022년 10월 인쇄된 프로토타입을 테스트했을 때 더 적은 재료로 가능하다고 생각했던 것보다 더 많은 토크를 제공하는 것으로 나타났습니다. Nishanth는 "질량이 30% 더 낮으면 토크도 더 낮아질 것이라고 예상할 수 있습니다. 그러나 그렇지 않았습니다."라고 말했습니다. "따라서 이는 실제로 이 기계의 순 토크 밀도 개선이 가능하다는 것을 알고 있으며 이를 더욱 개선할 수 있다면 (더 효율적인 3D 프린팅 전기 모터 제작) 게임 체인저가 될 것입니다."

전기 모터의 고정자를 만드는 전통적인 방법은 전기 강철 시트를 찍어내는 적층 공정을 사용합니다. 결과적으로 얻을 수 있는 것은 프롱 상단에 작지만 눈에 보이는 능선이 있는 라미네이션으로 쌓인 고정자입니다.

이 방법은 쉽게 복제할 수 있지만 3% 실리콘이 포함된 전기 강철 합금을 사용하는 경향이 있어 에너지 손실률이 높고 효율성이 낮습니다. 미국 에너지부가 권장하는 6.5% 실리콘으로 만든 전기강판 합금은 에너지 손실을 줄이지만 더 부서지기 쉽고 전통적인 적층 공정을 견딜 가능성이 적습니다.

그러나 3D 프린팅을 사용하면 롤링 중에 엄청난 압력을 가할 필요가 없으며 기계는 20시간 이내에 작은 10kW 프로토타입 고정자에 섬세한 패턴을 프린팅할 수 있습니다. 전기 자동차를 운행하는 데는 에너지가 충분하지 않지만 모델은 40kW에 도달하도록 쉽게 확장할 수 있으며 산업용 프린터에서 더 빠르게 인쇄할 수 있습니다.

Alexander는 다음과 같이 말했습니다. “이 프로젝트는 이전에 다른 제조 기술로는 불가능했던 가볍고 효율적인 구조를 갖춘 전기 기계에 대한 적층 제조가 갖는 큰 잠재력을 보여주었습니다. WEMPEC(UW-Madison에 위치한 국제적으로 유명한 전력 전자 연구 및 전기 기계 연구 그룹) 팀과 협력하여 이 아이디어를 현실로 만들 수 있어서 기뻤습니다.”