La Lappeenranta University of Technology in Finlandia ha costruito il primo prototipo di motore elettrico al mondo utilizzando filati di nanotubi di carbonio negli avvolgimenti del motore. La nuova tecnologia può migliorare significativamente le prestazioni.
Gli ingegneri di LUT hanno costruito il primo motore elettrico al mondo applicando un materiale tessile; filato di nanotubi di carbonio. Il filato di nanotubi di carbonio attualmente più conduttivo elettricamente sostituisce i normali fili di rame negli avvolgimenti. Il prototipo del motore è costruito dal gruppo LUT Electrical Engineering come inizio verso il peso leggero, azionamenti elettrici efficienti.
La potenza di uscita del motore di prova è di 40 W, ruota a 15000 giri/min, e ha un'efficienza di quasi il 70%. Nel futuro prossimo, le fibre di nanotubi di carbonio hanno il potenziale per migliorare significativamente le prestazioni e l'efficienza energetica delle macchine elettriche. La nuova tecnologia potrebbe rivoluzionare l'intero settore.
I ricercatori sono costantemente alla ricerca di opportunità per migliorare le prestazioni delle macchine elettriche; a tal fine, uno degli obiettivi è trovare fili a maggiore conduttività per gli avvolgimenti. I migliori nanotubi di carbonio (CNT) hanno dimostrato conducibilità ben oltre quelle dei migliori metalli. Così, i futuri avvolgimenti in CNT potrebbero avere una doppia conduttività rispetto agli attuali avvolgimenti in rame. Per rendere i CNT facili da manipolare, vengono filati per formare un filato multifibra.
"Se manteniamo invariati i parametri di progettazione della macchina elettrica e sostituiamo solo il rame con futuri fili di nanotubi di carbonio, è possibile ridurre le perdite per Joule negli avvolgimenti alla metà delle attuali perdite della macchina. I fili di nanotubi di carbonio sono significativamente più leggeri del rame e anche più rispettosi dell'ambiente. Perciò, la sostituzione del rame con fili di nanotubi dovrebbe ridurre significativamente le emissioni di CO2 legate alla produzione e al funzionamento delle macchine elettriche. Per di più, le dimensioni e le masse della macchina potrebbero essere ridotte. I motori potrebbero funzionare anche a temperature notevolmente superiori a quelle attuali, "dice il professor Juha Pyrhönen, che ha guidato la progettazione del prototipo presso LUT.
Nessun limite superiore definito per la conduttività
Tradizionalmente, gli avvolgimenti delle macchine elettriche sono in rame, che ha la seconda migliore conduttività dei metalli a temperatura ambiente. Nonostante l'elevata conduttività del rame, gran parte delle perdite delle macchine elettriche si verificano negli avvolgimenti di rame. Per questa ragione, le perdite di Joule sono spesso indicate come perdite di rame. Il filato di nanotubi di carbonio non ha un limite superiore definito per la conduttività (ad esempio sono già stati misurati valori di 100 MS/m).
Secondo Pyrhönen, le macchine elettriche sono così onnipresenti nella vita di tutti i giorni che spesso ci dimentichiamo della loro presenza. Solo in una casa unifamiliare possono esserci decine di macchine elettriche in vari elettrodomestici come frigoriferi, lavatrici, asciugacapelli, e ventilatori.
"Nell'industria, il numero di motori elettrici è enorme:possono esserci fino a decine di migliaia di motori in una singola unità dell'industria di processo. Tutti questi usano il rame negli avvolgimenti. Di conseguenza, trovare un materiale più efficiente per sostituire i conduttori di rame porterebbe a grandi cambiamenti nel settore, " racconta il professor Pyrhönen.
Importante innovazione per il settore
Il motore prototipo utilizza filati di nanotubi di carbonio filati e convertiti in un nastro isolato da un'azienda giapponese-olandese Teijin Aramid, che ha sviluppato la tecnologia della filatura in collaborazione con la Rice University, Gli stati uniti. Le applicazioni industriali del nuovo materiale sono ancora agli inizi; l'aumento della capacità di produzione insieme al miglioramento delle prestazioni del filato faciliterà importanti passi avanti in futuro, crede che il Business Development Manager Dr. Marcin Otto di Teijin Aramid, d'accordo con il professor Pyrhönen.
"C'è un potenziale di miglioramento significativo nelle macchine elettriche, ma ora ci troviamo di fronte ai limiti della fisica dei materiali fissati dai materiali di avvolgimento tradizionali. La superconduttività non sembra svilupparsi a un livello tale da poter, generalmente, essere applicato alle macchine elettriche. materiali carbonici, però, sembrano avere una pole position:ci aspettiamo che in futuro, la conduttività dei filati di nanotubi di carbonio potrebbe essere anche tre volte la conduttività pratica del rame nelle macchine elettriche. Inoltre, il carbonio è abbondante mentre il rame deve essere estratto o riciclato da processi industriali pesanti".
