Mohou být elektrické motory efektivnější?

Určitě ano. Před dvěma lety jsem totiž zavítal na Katedru teoretické elektrotechniky na FEL ZČU, kde jsem poprvé v životě uviděl magnetickou kapalinu a současně jsem se dozvěděl o probíhajícím výzkumu možností zlepšení chodu elektrických motorů právě s využitím magnetické kapaliny. Na nic jsem tedy nečekal a okamžitě jsem se ponořil do práce na lepších motorech; tu se mi podařilo uplatnit i v rámci soutěže Ceny Nadace ČEZ 2014.

Magnetické kapaliny

Známe dva druhy magnetických kapalin: ferokapaliny a magnetoreologické kapaliny. Ferokapaliny jsou tvořeny velice malými částicemi železa v oleji. Velikost těchto částeček je menší než 10 nanometrů. Oproti tomu magnetoreologické kapaliny obsahují částice zhruba tisíckrát větší. Jejich rozměry jsou v jednotkách mikrometrů. Díky různé velikosti částeček se kapaliny i odlišně chovají. Magnetoreologická kapalina v magnetickém poli okamžitě tuhne a její tekutost můžeme řídit magnetickým polem. Oproti tomu ferokapalina zůstane v magnetickém poli tekutá. Právě tato ferokapalina byla pro můj záměr ideální.

Teorie účinnějších motorů

Otáčení motoru je způsobeno magnetickým tokem mezi rotorem a statorem, mezi nimiž je vždy nezbytná vzduchová mezera. Ferokapalina klade procházejícímu magnetickému toku nižší magnetický odpor než vzduch. Vyplníme-li tedy mezeru ferokapalinou, magnetický tok a s ním i vykonaná práce se zvýší. Nevýhodou jsou ovšem vyšší třecí ztráty způsobené kapalinou.

Úvodní experimenty

Tato myšlenka je poměrně nová a motory se s ferokapalinou zatím nevyrábějí. Musel jsem proto začít od píky. Nejprve bylo třeba uskutečnit experimenty, které by prokázaly, že o něčem podobném má smysl vůbec uvažovat. Přes řadu pokusů s jednoduchými zařízeními se vzduchovou mezerou dokazující zvýšení magnetických toků a sil při využití kapaliny jsem se postupně dostal až k samotným motorům.

Výsledky měření

Na univerzálním komutátorovém stroji jsem provedl řadu měření s kapalinou a bez kapaliny. Naměřil jsem přitom – v závislosti na velikosti magnetické indukce v mezeře – zvýšení točivého momentu motoru při měření nakrátko o 11,4 % až 47 %. Proud potřebný pro vyzvednutí závaží motorem se podařilo snížit až o 12,4 % a díky magnetické kapalině se rozběh motoru zrychlil. Účinnost motoru se do rychlosti 300 ot/min zvýšila o 5,9 %.

Praktické využití

Pro sestavení prototypu prvního elektrického stroje s ferokapalinou, který by bylo možné využít v běžné praxi, bude třeba provést ještě mnoho experimentů a výpočtů. Prvního září 2014 jsem nastoupil na doktorské studium a mám tedy před sebou celé čtyři roky zajímavých experimentů s magnetickými kapalinami.

Autor získal 2. cenu v soutěži Cena Nadace ČEZ 2014 v kategorii Elektrické stroje.