В течение нескольких лет Министерство энергетики США хочет, чтобы подключаемые электромобили были такими же доступными и удобными, как и машины с двигателем внутреннего сгорания, на которых сегодня ездит большинство из нас.
Но это еще не все.
Когда президент Обама и Министерство энергетики (DOE) запустили инициативу EV (подключаемые электромобили) Everywhere в 2012 году, Министерство энергетики заявило, что электромобили должны быть на 30 процентов легче, а стоимость аккумуляторов должна снизиться с 500 долларов. за киловатт-час до 125 долларов за киловатт-час, а системы электропривода должны упасть с 30 долларов за киловатт до 8 долларов за киловатт.
«Обычно в инженерном мире, когда у вас возникает подобная проблема, вы смотрите на систему, например на конструкцию двигателя», - сказал Джун Цуй, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Университета штата Айова. старший научный сотрудник лаборатории Эймса Министерства энергетики США.
Но электродвигатели существуют с 1830-х годов. Простые системные решения давно найдены.
"Самое сложное связано с материалом", - сказал Цуй. «Это спрос на более качественные материалы».
Грант на новые автомобильные технологии
Исследовательская группа под руководством Цюя работает над удовлетворением спроса на более качественные материалы и производительность электродвигателей. Чтобы поддержать свою работу, они только что выиграли трехлетний грант в размере 3,8 миллиона долларов от программы Министерства энергетики США по технологиям транспортных средств. Из них 2,8 миллиона долларов пойдут на поддержку исследований в штате Айова.
В проекте также участвуют партнеры по исследованиям из Исследовательского центра United Technologies в Ист-Хартфорде, Коннектикут; и Делавэрский университет в Ньюарке.
Cui сказал, что проект стал возможен благодаря объединению исследовательского опыта и возможностей штата Айова и лаборатории Эймса. Среди местных сотрудников Скотт Чамбли, профессор материаловедения и инженерии, ученый из лаборатории Эймса; Питер Коллинз, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Алана и Джули Ренкен и младший научный сотрудник лаборатории Эймса; Ивер Андерсон, старший металлург лаборатории Эймса и адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии; Валерий Левитас, профессор аэрокосмической техники Schafer 2050 Challenge и научный сотрудник лаборатории Эймса; Фрэнк Питерс, адъюнкт-профессор и заведующий кафедрой операций в области проектирования промышленных и производственных систем; и Мэтью Крамер, директор отдела материаловедения и инженерии лаборатории Эймса и адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии.
Cui сказал, что моделирование проекта и основные экспериментальные работы будут базироваться в штате Айова, а крупномасштабное литье и формование деталей будет базироваться в лаборатории Эймса. Цуй сказал, что получение гранта было бы невозможно без его предшествующих исследований стали в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики в Ричленде, штат Вашингтон..
"Это действительно совместная работа", - сказал Цуй. «Это не вся Лаборатория Эймса или штат Айова, но люди из обоих регионов объединяются, чтобы реализовать этот проект».
Грант является частью федеральных инвестиций в размере 59,2 млн долларов США в 35 исследовательских проектов, направленных на снижение стоимости и повышение эффективности электрических, альтернативных видов топлива и обычных транспортных средств, согласно объявлению Министерства энергетики.
'Электросталь'
Исследовательская группа Цуй работает над созданием двигателей с сердечником статора (невращающаяся магнитная часть), изготовленным из тонких слоев или пластин из новой «электротехнической стали». Новая сталь будет представлять собой сплав железа с содержанием кремния 6,5%, что в два раза превышает количество, используемое сегодня в электродвигателях. Цуй сказал, что дополнительный кремний увеличивает удельное электрическое сопротивление материала примерно на 50 процентов. И это снижает вихревые токи, потери тепла и мощности в двигателе.
Это очень важно, так как исследователи работают над разработкой электродвигателей нового поколения. Цуй сказал, что он видит эти двигатели, работающие на гораздо более высоких частотах - от сегодняшних 60 герц до 400 герц.
Это обеспечивает гораздо более высокую удельную мощность двигателя, сказал Цуй. А это значит, что двигатели могут быть меньше, легче, мощнее и экономичнее.
Работа на более высоких частотах также снижает эффективность двигателя. Цуй сказал, что новая электротехническая сталь, которую разрабатывает его команда, может снизить эти потери эффективности.
Но есть проблема: сталь с дополнительным содержанием кремния хрупкая и дорогая в производстве.
"Он треснет, если его уронить", - сказал Цуй.
Исследователи Лаборатории Эймса в штате Айова изучат и охарактеризуют различные процессы производства электротехнической стали, чтобы сделать ее более пластичной и дешевой в производстве.
Cui сказал, что исследователи также занимаются разработкой материалов и двигателей, которые не зависят от магнитов, изготовленных из редкоземельных материалов. Это спасает автомобильную промышленность от роста стоимости редкоземельных материалов.
«Основной движущей силой этого проекта является то, что нам нужны более экономичные и эффективные электродвигатели», - сказал Цуй. «Примерно через 10 лет, если нам повезет, мы увидим реальное влияние этой работы. Мы должны увидеть эти двигатели на дорогах».