Когда мы говорим о стекле, обычно представляем хрупкий и ломкий материал. Однако учёные из Университета Саарланда в Германии перевернули это представление. Они создали электромоторы нового поколения, в которых вместо обычного железа используют специальный аморфный сплав — так называемое металлическое стекло. Результат — заметно более высокая эффективность и меньшие потери энергии.
В любом электродвигателе — будь то мотор зубной щётки или электромобиля — ротор вращается внутри статора, создавая постоянно меняющееся магнитное поле. При каждом перемагничивании крошечные магнитные области (домены Вейсса) внутри металла вынуждены перестраиваться. В обычных кристаллических железных сплавах этот процесс сопровождается сильным сопротивлением на микроуровне. Возникают так называемые потери на гистерезис — энергия уходит в тепло.
«Мы ищем способы сократить эти потери, улучшив материалы, — объясняет руководитель проекта профессор Ральф Буш (Ralf Busch). — Обычные сплавы уже оптимизированы, но всё равно дают довольно высокие потери при перемагничивании. Мы хотим заменить их аморфными, стеклоподобными сплавами, которые почти не теряют энергию при смене магнитного поля».
Металлическое стекло: металл без кристаллов
В отличие от привычных металлов, металлическое стекло не имеет упорядоченной кристаллической решётки. Его атомы расположены хаотично, как в обычном стекле. Благодаря этому магнитные домены могут свободно поворачиваться при изменении магнитного поля, почти без «трения». В результате двигатель меньше греется и тратит значительно меньше энергии.
Важно: несмотря на название, металлическое стекло часто прочнее стали. Слово «стекло» здесь относится исключительно к аморфной структуре материала.
Чтобы сохранить аморфную структуру, учёные применили передовую технологию — лазерную порошковую плавку (Laser Powder Bed Fusion). Порошок специального сплава послойно расплавляется лазером и мгновенно охлаждается, не давая атомам выстроиться в кристаллы. Это ключевой момент для сохранения уникальных магнитных свойств.
Команда перебрала сотни сплавов и нашла три подходящих пятиэлементных состава, которые можно надёжно печатать и которые отлично подходят для электромоторов. Прорыв случился чуть больше года назад.
Новые моторы могут найти применение практически везде: в электромобилях, электровелосипедах, дронах, бытовой технике и промышленном оборудовании. Более эффективные и холодные двигатели означают больший запас хода, меньшее потребление энергии и более долгий срок службы устройств.
Проект финансируется Евросоюзом в рамках консорциума AM2SoftMag и получил более 3,5 миллиона евро.
