L'université de technologie de Lappeenranta en Finlande a construit le premier prototype de moteur électrique au monde en utilisant des fils de nanotubes de carbone dans les enroulements du moteur. La nouvelle technologie peut améliorer considérablement les performances.
Les ingénieurs de LUT ont construit le premier moteur électrique au monde en utilisant un matériau textile; fil de nanotube de carbone. Le fil de nanotubes de carbone actuellement le plus conducteur d'électricité remplace les fils de cuivre habituels dans les enroulements. Le prototype du moteur est construit par le groupe LUT Electrical Engineering comme un début vers le poids léger, entraînements électriques efficaces.
La puissance de sortie du moteur de test est de 40 W, il tourne à 15000 rpm, et a une efficacité de près de 70 %. Dans le futur proche, les fibres de nanotubes de carbone ont le potentiel d'améliorer considérablement les performances et l'efficacité énergétique des machines électriques. La nouvelle technologie pourrait révolutionner l'ensemble de l'industrie.
Les chercheurs sont constamment à la recherche d'opportunités pour améliorer les performances des machines électriques; à cette fin, l'un des objectifs est de trouver des fils à plus haute conductivité pour les enroulements. Les meilleurs nanotubes de carbone (CNT) ont démontré des conductivités bien au-delà de celles des meilleurs métaux. Ainsi, les futurs enroulements en NTC pourraient avoir une double conductivité par rapport aux enroulements actuels en cuivre. Afin de rendre les NTC faciles à manipuler, ils sont filés pour former un fil multifibre.
« Si nous maintenons les paramètres de conception de la machine électrique inchangés et ne remplaçons que le cuivre par de futurs fils de nanotubes de carbone, il est possible de réduire les pertes Joule dans les bobinages à la moitié des pertes machines actuelles. Les fils de nanotubes de carbone sont nettement plus légers que le cuivre et également plus respectueux de l'environnement. Par conséquent, le remplacement du cuivre par des fils de nanotubes devrait réduire considérablement les émissions de CO2 liées à la fabrication et à l'exploitation des machines électriques. Par ailleurs, les dimensions et les masses de la machine pourraient être réduites. Les moteurs pourraient également fonctionner à des températures nettement plus élevées que celles actuelles, " dit le professeur Juha Pyrhönen, qui a dirigé la conception du prototype au LUT.
Pas de limite supérieure définie pour la conductivité
Traditionnellement, les bobinages des machines électriques sont en cuivre, qui a la deuxième meilleure conductivité des métaux à température ambiante. Malgré la conductivité élevée du cuivre, une grande partie des pertes de la machine électrique se produit dans les enroulements en cuivre. Pour cette raison, les pertes Joule sont souvent appelées pertes de cuivre. Le fil de nanotubes de carbone n'a pas de limite supérieure définie pour la conductivité (par exemple, des valeurs de 100 MS/m ont déjà été mesurées).
Selon Pyrhönen, les machines électriques sont tellement omniprésentes dans la vie de tous les jours que l'on oublie souvent leur présence. Dans une maison unifamiliale seule, il peut y avoir des dizaines de machines électriques dans divers appareils ménagers tels que des réfrigérateurs, machines à laver, sèche-cheveux, et ventilateurs.
"Dans l'industrie, le nombre de moteurs électriques est énorme :il peut y avoir jusqu'à des dizaines de milliers de moteurs dans une même unité industrielle de process. Tous ceux-ci utilisent du cuivre dans les enroulements. Par conséquent, trouver un matériau plus efficace pour remplacer les conducteurs en cuivre conduirait à des changements majeurs dans l'industrie, " raconte le professeur Pyrhönen.
Innovation importante pour l'industrie
Le prototype de moteur utilise des fils de nanotubes de carbone filés et convertis en une bande isolée par une société nippo-néerlandaise Teijin Aramid, qui a développé la technologie de filature en collaboration avec Rice University, les États Unis. Les applications industrielles du nouveau matériau en sont encore à leurs balbutiements; l'augmentation de la capacité de production ainsi que l'amélioration des performances du fil faciliteront les grandes étapes à l'avenir, selon le directeur du développement commercial, le Dr Marcin Otto de Teijin Aramid, d'accord avec le professeur Pyrhönen.
« Il y a un potentiel d'amélioration important dans les machines électriques, mais nous sommes maintenant confrontés aux limites de la physique des matériaux fixées par les matériaux de bobinage traditionnels. La supraconductivité ne semble pas se développer à un niveau tel qu'elle pourrait, en général, être appliqué aux machines électriques. Matériaux carboniques, cependant, semblent avoir une pole position :nous nous attendons à ce qu'à l'avenir, la conductivité des fils de nanotubes de carbone pourrait même être trois fois supérieure à la conductivité pratique du cuivre dans les machines électriques. En outre, le carbone est abondant tandis que le cuivre doit être extrait ou recyclé par des procédés industriels lourds."
