Villmanstrands tekniska universitet i Finland har konstruerat världens första prototyp av elmotor med kolnanorörsgarn i motorlindningarna. Den nya tekniken kan förbättra prestandan avsevärt.

Ingenjörer av LUT har konstruerat världens första elektriska motor som applicerar ett textilmaterial; nanorörsgarn i kol. Det för närvarande mest elektriskt ledande nanorörsgarnet i kol ersätter vanliga koppartrådar i lindningarna. Motorprototypen är byggd av LUT Electrical Engineering-gruppen som en start mot lättvikts-, effektiva elektriska drivningar.

Testmotorns uteffekt är 40 W, den roterar med 15000 varv / min, och har nästan 70 % verkningsgrad. Inom en snar framtid, kolnanorörsfibrer har potential att avsevärt förbättra prestanda och energieffektivitet hos elektriska maskiner. Den nya tekniken kan revolutionera hela branschen.

Forskare letar ständigt efter möjligheter att uppgradera prestanda hos elektriska maskiner; för detta ändamål, ett av målen är att hitta trådar med högre konduktivitet för lindningarna. De bästa kolnanorören (CNT) har visat konduktivitet långt utöver de bästa metallernas. Således, framtida lindningar gjorda av CNT kan ha en dubbel konduktivitet jämfört med dagens kopparlindningar. För att göra CNT lätt att manipulera, de spins till multifibergarn.

"Om vi ​​håller de elektriska maskindesignparametrarna oförändrade och bara ersätter koppar med framtida kolnanorörstrådar, det är möjligt att reducera Joule-förlusterna i lindningarna till hälften av dagens maskinförluster. Kolnanorörstrådar är betydligt lättare än koppar och dessutom miljövänligare. Därför, byte av koppar mot nanorörstrådar bör avsevärt minska koldioxidutsläppen relaterade till tillverkning och drift av elektriska maskiner. Vidare, maskindimensionerna och -massorna kunde reduceras. Motorerna skulle också kunna köras i betydligt högre temperaturer än de nuvarande, säger professor Juha Pyrhönen, som har lett utformningen av prototypen på LUT.

Ingen bestämd övre gräns för konduktiviteten

Traditionellt, lindningarna i elektriska maskiner är gjorda av koppar, som har metallens näst bästa konduktivitet vid rumstemperatur. Trots den höga ledningsförmågan hos koppar, en stor del av de elektriska maskinförlusterna sker i kopparlindningarna. Av denna anledning, Joule-förlusterna kallas ofta för kopparförluster. Kolnanorörsgarnet har ingen bestämd övre gräns för konduktivitet (t.ex. värden på 100 MS/m har redan uppmätts).

Enligt Pyrhönen, de elektriska maskinerna är så allestädes närvarande i vardagen att vi ofta glömmer bort deras närvaro. Bara i ett enfamiljshus kan det finnas tiotals elektriska maskiner i olika hushållsapparater som kylskåp, tvättmaskiner, hårtorkar, och ventilatorer.

"Inom industrin, antalet elektriska motorer är enormt:det kan finnas upp till tiotusentals motorer i en enda processindustrienhet. Alla dessa använder koppar i lindningarna. Följaktligen, att hitta ett mer effektivt material för att ersätta kopparledarna skulle leda till stora förändringar i branschen, ”berättar professor Pyrhönen.

Viktig innovation för branschen

Prototypmotorn använder garn av kolnanorör som spunnits och omvandlats till en isolerad tejp av ett japansk-holländskt företag Teijin Aramid, som har utvecklat spinningtekniken i samarbete med Rice University, USA. De industriella tillämpningarna av det nya materialet är fortfarande i sin linda; skala upp produktionskapaciteten tillsammans med förbättring av garnets prestanda kommer att underlätta stora steg i framtiden, tror affärsutvecklingschef Dr Marcin Otto från Teijin Aramid, håller med professor Pyrhönen.

"Det finns en betydande förbättringspotential i de elektriska maskinerna, men vi står nu inför gränserna för materialfysik som sätts av traditionella lindningsmaterial. Supraledning verkar inte utvecklas till en sådan nivå att den skulle kunna, i allmänhet, tillämpas på elektriska maskiner. Kolhaltiga material, dock, verkar ha en pole position:Vi förväntar oss att i framtiden, konduktiviteten hos nanorörsgarn i kol kan till och med vara tre gånger så hög som den praktiska ledningsförmågan hos koppar i elektriska maskiner. Dessutom, kol är rikligt medan koppar måste brytas eller återvinnas av tunga industriella processer."