用于未來電機(jī)的磁性材料

根據(jù)芝加哥大學(xué)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國50％的電力通過電機(jī)運行。像汽車和飛機(jī)這樣的車輛依靠電動機(jī)來改造電力，就像真空吸塵器和冰箱等家用電器一樣。由于這個空間太大，更高效的電機(jī)可以在能源使用方面產(chǎn)生顯著差異。

當(dāng)電動機(jī)操作以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時，交流電為磁電機(jī)內(nèi)部的磁性材料提供磁場。然后磁偶極子從北向南切換，并使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。磁性材料的這種切換導(dǎo)致其加熱，從而損失能量。

但是，如果磁性材料在高速旋轉(zhuǎn)時不會升溫怎么辦？卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)與工程（MSE）教授Michael McHenry和他的團(tuán)隊正在通過合成金屬非晶納米復(fù)合材料（MANCs）來解決這個問題，這是一類有效轉(zhuǎn)換高頻能量的軟磁材料更小的電機(jī)提供相當(dāng)?shù)墓β省?

“電機(jī)的功率取決于它的速度，”麥克亨利說。“當(dāng)您以高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)時，磁性材料會以更高的頻率切換。大多數(shù)電機(jī)都是由大多數(shù)電機(jī)制成的，因為它們會升溫而在較高頻率下會失去電力。”

目前，電動機(jī)通常由硅鋼制成。MANC提供了硅鋼的替代品，并且由于它們的高電阻率（它們對電流的強(qiáng)烈程度），它們不會加熱太多，因此可以以更高的速度旋轉(zhuǎn)。

“因此，你可以在給定的功率密度下縮小電機(jī)的尺寸，或者在相同尺寸下制造更高功率的電機(jī)，”McHenry說。

麥克亨利集團(tuán)與國家能源技術(shù)實驗室（NETL），美國宇航局格倫研究中心和北卡羅來納州立大學(xué)合作，正在設(shè)計一臺重量不到2.5千克的2.5千瓦電機(jī)。*近，他們以每分鐘6,000轉(zhuǎn)的速度對其進(jìn)行基準(zhǔn)測試，并且正在尋求制造更大的旋轉(zhuǎn)速度更快的旋轉(zhuǎn)速度。該設(shè)計由能源部（DOE）先進(jìn)制造辦公室資助，將永磁體與MANC結(jié)合在一起。

為了合成MANC材料，McHenry和他的團(tuán)隊以每秒約百萬度的速度快速固化液態(tài)金屬。由于它們在實驗室規(guī)模上工作，因此它們會查看10克樣品并篩選它們的磁性。通過與合作伙伴研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)的各種合作伙伴關(guān)系，他們可以采用這些MANC并擴(kuò)大制造流程，以用于實際應(yīng)用。

在傳統(tǒng)電動機(jī)的電力轉(zhuǎn)換過程中，電動機(jī)材料的磁化開關(guān)，經(jīng)常導(dǎo)致功率損失。但是對于MANC，與磁化切換相關(guān)的損耗大大降低，因為它們是玻璃狀金屬而不是結(jié)晶金屬。結(jié)構(gòu)差異在原子水平：當(dāng)材料熔化，然后快速冷卻時，原子沒有時間在晶格中找到位置。

McHenry的團(tuán)隊和合作者是少數(shù)幾個在電機(jī)中使用MANC的人。他們的設(shè)計還獨特地使用他們自己的專利材料 - 鐵和鈷，鐵和鎳的組合，與玻璃成型器混合。高效的MANC還可以在電機(jī)設(shè)計中使用低成本永磁體，這種永磁體不需要關(guān)鍵的稀土材料。

雖然研究人員在實驗室規(guī)模上以較小的比例進(jìn)行測試，但與工業(yè)和其他研究實驗室的公司合作可以將這些金屬用于工業(yè)中。

“*終，我們可以通過這些設(shè)計獲得更高的速度和更高的功率，”McHenry說。“現(xiàn)在我們正在對一個較小的電機(jī)進(jìn)行基準(zhǔn)測試，然后我們將嘗試制造更大的電機(jī)。電機(jī)有航空航天，汽車，甚至真空吸塵器應(yīng)用 - 電機(jī)在許多應(yīng)用中都很重要。總的來說，電機(jī)代表了巨大的使用電力，因此它們是效率可以產(chǎn)生重大影響的一個領(lǐng)域。”

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