Pesquisadores de Sheffield desenvolvem motor elétrico impresso em 3D mais leve

Oct 22, 2023

Pesquisadores da Universidade de Sheffield, trabalhando com colaboradores da Universidade de Wisconsin-Madison, desenvolveram o protótipo de um novo motor elétrico impresso em 3D, mais leve e mais eficiente, usando tecnologia de impressão 3D PBF de metal acessível, abrindo caminho para futuros motores elétricos aumentarem seu energia usando menos material.

A procura de motores eléctricos está a crescer rapidamente e estas inovações são cruciais para o pioneirismo nas próximas fases da electrificação dos transportes, por exemplo para aviões, onde as baterias terão de ser mais leves e os motores terão de ser mais eficientes em termos energéticos.

O protótipo, que utiliza um aço elétrico com alto teor de silício que reduz as perdas de energia, foi projetado como parte de uma colaboração entre Alexander Goodall, estudante de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais; Assistente de pesquisa de pós-doutorado da UW-Madison FNU Nishanth e seus orientadores, Professor Iain Todd e Eric Severson.

O projeto do protótipo consiste em um estator, um objeto de formato circular com pontas nos quais os fios podem ser enrolados para criar um campo magnético. A maior diferença de design entre o protótipo e os estatores tradicionais pode ser vista nos próprios pinos, pois apresentam um design intrincado de linhas geométricas finas destinadas a reduzir a perda de energia.

A colaboração foi iniciada por Alexander quando conheceu Nishanth em uma conferência em 2020 e percebeu que eles tinham o que o outro precisava para realizar este projeto: Sheffield teve acesso à tecnologia de impressão para tornar realidade o conhecimento da UW-Madison na criação de motores não convencionais.

Alexander Goodall, da Universidade de Sheffield, criou o conceito e projetou, desenvolveu e fabricou o estator, enquanto pesquisadores da Universidade de Wisconsin concluíram testes abrangentes, mostrando uma melhoria na densidade de torque.

Quando o protótipo impresso foi testado em outubro de 2022, descobriu-se que estava dando mais torque do que eles pensavam ser possível com menos material. “Quando você tem uma massa 30% menor, você esperaria que seu torque também fosse menor... mas não foi o caso”, disse Nishanth. “Então, isso mostra que você sabe que realmente vai conseguir uma melhoria líquida na densidade de torque nesta máquina e se pudermos melhorar ainda mais isso, (fazer um motor elétrico impresso em 3D mais eficiente) seria uma virada de jogo.”

Os métodos tradicionais de criação de estatores em motores elétricos utilizam um processo de laminação, onde folhas de aço elétrico são estampadas. O resultado é um estator empilhado com laminações com linhas de crista minúsculas, mas visíveis, na parte superior dos dentes.

Esse método, embora facilmente replicável, tende a depender do uso de uma liga de aço elétrico com 3% de silício, o que proporciona taxas mais altas de perda de energia e menor eficiência. Uma liga de aço elétrico feita com 6,5% de silício, recomendada pelo Departamento de Energia dos EUA, reduz as perdas de energia, mas é mais frágil e tem menos probabilidade de resistir ao processo tradicional de laminação.

Mas com a impressão 3D, não há necessidade de exercer muita pressão durante a laminação e a máquina pode imprimir o delicado padrão no pequeno estator do protótipo de 10 quilowatts em 20 horas. Embora isso não fosse energia suficiente para fazer funcionar um veículo eléctrico, o modelo poderia ser facilmente ampliado para atingir 40 quilowatts e ainda assim impresso mais rapidamente numa impressora industrial.

Alexander disse: “Este projeto mostrou o grande potencial que a fabricação aditiva tem para máquinas elétricas, com estruturas leves e eficientes que nunca antes foram possíveis usando qualquer outra técnica de fabricação. Foi um prazer trabalhar com a equipe do WEMPEC (um grupo de pesquisa em eletrônica de potência e máquinas elétricas de renome internacional localizado em UW-Madison) para transformar essa ideia em realidade”