Nu de wereld steeds meer elektrische auto’s en vrachtwagens bouwt – en andere vormen van vervoer elektrificeert – is de race begonnen om de ideale, groene motor met middenmotor te bouwen. Het doel is een tractiemotor die minstens zo krachtig, betrouwbaar en licht van gewicht is als de hedendaagse industriestandaard synchrone motor met permanente magneet met zeldzame aardmetalen. Maar ook zeldzame aardmetalen zoals neodymium en dysprosium, die nodig zijn voor de krachtigste magneten voor laatstgenoemde, vormen een belangrijk knelpunt. De mijnbouw en verwerking ervan brengen milieukosten met zich mee, en China heeft er een bijna monopoliebelang in. Dit is de reden waarom er een race is om EV-motoren te bouwen zonder zeldzame aardmetalen zijn zo belangrijk. Deze projecten krijgen niet zoveel aandacht als de race om betere batterijen en steeds grotere batterijfabrieken, maar ze zullen niet minder belangrijk zijn voor de toekomst van geëlektrificeerd transport.
R&D-projecten op motorgebied nemen vele vormen aan, waaronder jarenlang werk aan het verbeteren van inductiemotoren en verschillende exotische typen synchrone motoren, evenals inspanningen om krachtige synchrone motoren met permanente magneten te bouwen die geen gebruik maken van zeldzame aardmetalen.
“Ik geloof dat dit soort materiaal een game changer is.” Ayman El-Refaie, Marquette-universiteit
Nu wint de slaapoptie, synchrone reluctantiemotoren, aan belangstelling, dankzij ontdekkingen in de materiaalkunde bij GE Aerospace. GE is een van de vele bedrijven die materialen ontwikkelen met een opmerkelijke eigenschap: bij blootstelling aan een sterk magnetisch veld worden verschillende delen van het materiaal gemagnetiseerd tot radicaal verschillende intensiteitsniveaus – helemaal niet gemagnetiseerd of zeer sterk gemagnetiseerd. Vorig jaar rapporteerden GE-onderzoekers in verbluffend werk dat ze een dergelijk materiaal, een zogenaamde tweefasig magnetisch materiaal, gebruikten om een rotor zonder zeldzame aardmetalen te produceren voor een synchrone reluctantiemotor die indrukwekkende prestaties leverde.
Een experimentele GE-motor van 23 kilowatt werd getest op een rollenbank met behulp van een koppelmeter – het grijze, cilindrische object met vinnen links. De transparante buizen bevatten roodgekleurde olie die circuleert om de motor te koelen.GE Lucht- en Ruimtevaartonderzoek
“Ik geloof dat dit soort materiaal een game changer is”, zegt Ayman El-Refaie, een IEEE Fellow en professor in elektrische en computertechniek aan de Marquette University in Milwaukee, Wisc. El-Refaie startte in 2005 het GE-programma voor tweefasige materialen.
Het baanbrekende materiaal van GE
In tests presteerde de GE-motor gemakkelijk beter dan synchrone reluctantiemotoren die min of meer identiek waren, behalve dat ze rotoren hadden die waren gemaakt van conventionele magnetische materialen. In één experiment had een tweefasige rotormotor bijvoorbeeld een vermogen van 23 kilowatt bij 14.000 tpm; een vergelijkbare machine met een conventionele rotor zou slechts 3,7 kW kunnen hebben. Die tweefasige motor had een respectabele massavermogensdichtheid van 1,4 kW per kilogram. (Het lag onder de voorspelde waarde van 1,87 kW/kg omdat de voorspelling gebaseerd was op kenmerken van laboratorium- of gesimuleerde onderdelen, en niet op productie-onderdelen.) Elektrische voertuigen die tegenwoordig op de markt zijn, hebben doorgaans motoren met een vermogensdichtheid tussen 1,1 en 3,0 kW/kg. Het maximale rendement van de GE-motor was 94 procent, wat vergelijkbaar is met de beste motoren die tegenwoordig in commerciële elektrische voertuigen worden gebruikt.
Om de belofte van tweefasige materialen te begrijpen, begint u met enkele basisprincipes over synchrone reluctantiemotoren. Net als andere motoren hebben ze een stator en een rotor. In de stator ontstaat een roterend magnetisch veld. Dit roterende veld magnetiseert en grijpt de rotor vast, die meestal is gemaakt van een ferromagnetische legering die elektrisch staal wordt genoemd. De rotor draait vervolgens als gevolg van een fenomeen dat magnetische weerstand wordt genoemd, een eigenschap die ervoor zorgt dat het ferromagnetische materiaal op één lijn komt met de fluxlijnen van het magnetische veld. Terwijl het statorveld roteert, probeert de gemagnetiseerde rotor zichzelf voortdurend uit te lijnen met dat roterende veld, waardoor koppel ontstaat.
De vierpolige rotor in een synchrone reluctantiemotor heeft gebieden die sterk gemagnetiseerd zijn (rood weergegeven) en andere die niet zijn gemagnetiseerd (blauw). Deze figuur toont de magnetisatie wanneer de stator en rotor op één lijn liggen.Oak Ridge Nationaal Laboratorium
Een zwak punt van een dergelijke machine betreft echter de rotor. De magnetische interactie tussen de rotor en de stator, die ervoor zorgt dat de rotor gaat draaien, is geconcentreerd op gelijkmatig verdeelde posities, polen genoemd, op de rotor en de stator. De magnetische veldlijnen vanaf de pool op de rotor moeten stevig verbonden zijn met de overeenkomstige pool op de stator. Deze veldlijnen van de rotorpolen hebben echter de neiging met elkaar te interfereren, waardoor er minder lijnen of flux beschikbaar zijn om verbinding te maken met de overeenkomstige statorpolen. “Het zal het totale koppel dat je met de motor kunt produceren verminderen, omdat het koppel voornamelijk te danken is aan de fluxverbinding tussen de motorpolen in de rotor en de stator”, zegt Frank Johnson, een andere veteraan van GE’s tweefasige materiaalonderzoeksteam. en momenteel technisch directeur van Niron Magnetics in Minneapolis.
Dus om de polen magnetisch van elkaar te isoleren, zou een optie zijn om de structuren, bruggen en polen genoemd, rond de rotorpolen te minimaliseren. Met minder magnetisch materiaal zouden deze structuren minder flux en dus minder interferentie produceren. Dit is echter niet echt een goede optie, omdat het minimaliseren van deze structuren deze gebieden smal en daardoor mechanisch zwak zou achterlaten. Die zwakte zou de snelheid waarmee de rotor zou kunnen draaien enorm beperken, wat op zijn beurt het motorvermogen zou beperken.
Maar met een tweefasig materiaal is het mogelijk om bruggen en pijlers niet-magnetiserend te maken (de technische term is ‘strak’), en ook breed en sterk. Dat is wat GE deed met zijn experimentele engine.
Nog geen enkel bedrijf biedt tweefasige magnetische materialen aan die geschikt zijn voor krachtige tractiemotorrotoren. Niemand buiten GE Aerospace weet of en wanneer het bedrijf zijn materiaal in licentie mag geven of mag produceren. (GE Aerospace weigerde de onderzoeker beschikbaar te stellen voor een interview voor dit artikel.) Een onderzoeksartikel gepubliceerd in december op Journal of Magnetisme en magnetische materialen concludeerde dat het materiaal van GE, dat wordt geproduceerd in een proces dat nitreren op hoge temperatuur wordt genoemd, “de meest geavanceerde methode is voor de productie van tweefasig magnetisch staal. Vanwege de hoge bewerkbaarheid van de productie zijn de uiteindelijke kosten van het product concurrerend in vergelijking met traditioneel elektrisch staal.”
Naast GE is het enige andere bedrijf waarvan bekend is dat het zich bezighoudt met bifasische magnetische materialen Proterial (voorheen Hitachi Metals, dat sinds de jaren negentig bifasische magnetische materialen ontwikkelt). Universitaire onderzoeksprogramma’s die vergelijkbare technologieën onderzoeken, zijn onder meer die van de Ufa University of Science and Technology in Rusland, de Yeungnam University in de Republiek Korea, het Harbin Institute of Technology in China en de University of Sheffield in het Verenigd Koninkrijk.
Marquette’s El-Refaie zegt dat GE’s tweefasenmateriaal kan worden verbeterd door verdere ontwikkeling. De maximale verzadigingsfluxdichtheid van een materiaal, een maatstaf voor hoe sterk magnetiserend een materiaal kan worden, is bijvoorbeeld 1,5 tesla – ruim onder de limiet van 2 T van gewoon elektrisch staal.
Maar de technische vooruitgang is waarschijnlijk niet het grootste obstakel voor commercialisering, voegt hij eraan toe. “Of iemand het bij het doel kan krijgen en er een toeleveringsketen voor kan opzetten, het is niet duidelijk hoe dat zal gebeuren”, zegt El-Refaie. “Het gaat niet alleen om GE. Ze moeten samenwerken met leveranciers als ze het beschikbaar willen maken voor de bredere technologiemarkt.”
“Een belangrijke hindernis zal het vinden van een staalfabrikant zijn die bereid en in staat is het gewalste plaatmetaal te produceren dat wordt gebruikt om de tweefasige rotor te maken”, voegt Johnson toe. “De legering die we hebben ontwikkeld heeft zeer goedkope elementen, wat het paradoxaal genoeg moeilijk maakt om de business case te rechtvaardigen, behalve in zeer grote productievolumes die grote hoeveelheden kapitaalgoederen vereisen.”
Maar als het materiaal in massaproductie gaat, zouden de voordelen veel verder gaan dan die van synchrone reluctantiemotoren. Projecten aan de Marquette Universiteit, de Yeungnam Universiteit en de Ufa Universiteit voor Wetenschap en Technologie hebben de voordelen aangetoond van tweefasige materialen in synchrone motoren met permanente magneten en elektrische generatoren.
“Ik kan niet alleen maar profiteren van IPM-machines (interne permanente magneetmotor)”, zegt El-Refaie. “Het kan om verschillende redenen ook voordelen hebben bij andere soorten machines.”