Alternativa materialval för elektriska maskiner

Sandra Eriksson är professor i elektricitetslära med inriktning mot permanentmagnetiserade elektriska maskiner vid Uppsala universitet. Just nu arbetar hon med forskning som rör design och modellering av generatorer och elektriska motorer och hon är aktiv inom två av StandUp for Energys forskningsområden, förnybar elproduktion och elfordon.

Hej Sandra! Berätta om din forskning

– Min forskning handlar om design av permanentmagnetiserade elektriska maskiner, framförallt med fokus på att använda alternativa magnetmaterial. Det innebär att vi vill ersätta magneter med sällsynta jordartsmetaller med mer hållbara gamla eller nya magnetmaterial.

Mina forskningsmetoder består av analytiska beräkningar, FEM simuleringar och experimentell testning och verifiering. Denna forskning är väldigt relevant för StandUp då permanentmagnetiserade elektriska maskiner används både inom förnybar energi och i nästan alla motorer i elektriska fordon.

Forskare Sandra Eriksson

Sandra Eriksson, professor i elektricitetslära

Vad är problemen med de magnetmaterial som används idag?
– Idag används magneter med sällsynta jordartsmetaller till bland annat generatorer i vindkraftverk, och hela 93% av alla elbilar som såldes under 2018 hade motorer med sällsynta jordartsmetaller. Efterfrågan av dessa magneter är hög och förväntas att öka. Samtidigt pågår forskningen för att försöka hitta alternativa och mer hållbara material.

Sällsynta jordartsmetaller är med på EU:s lista för kritiska råmaterial. Även om de inte är så sällsynta som deras namn antyder så riktas idag stark kritik mot gruvdriften, som främst sker i Kina. Det finns därför ett stort intresse av att hitta alternativ till dessa material, för att skapa mer hållbara lösningar.

I vår forskning undersöker vi framförallt två spår. Det ena är att använda nya magnetmaterial. Eftersom det inte finns några nya kommersiella material ännu, studerar vi hur olika materials egenskaper skulle påverka designen av en elmaskin och hur man kan modellera framtida mer komplexa magnetmaterial. Det andra spåret är att använda ferritmagneter. Det är svagare magneter som funnits länge, är billiga och finns i överflöd. Eftersom ferritmagneter är magnetiskt svagare måste både maskindesignen och modellerna för att studera maskinerna anpassas.

Två rotorer

Två rotorer till samma generator för ett vindkraftverk innan magneterna monterats. Den vänstra är anpassad för ferritmagneter och den högra för magneter med sällsynta jordartsmetaller. Arbetet utfördes av Petter Eklund, dåvarande doktorand, som även tagit fotot.

Påverkas prestandan negativt på generatorer och motorer med nya material?
Det beror på hur man mäter prestanda. Genom att designa maskiner för magnetiskt svagare material på ett smart sätt kan vi både uppnå fältförstärkning och se till att magneterna är skyddade mot avmagnetisering, vilket kan vara en risk med svagare magneter. För de flesta applikationer kan vi komma upp i samma effekt, vridmoment och effektivitet som för maskiner med jordartsmetaller. Utmaningen ligger i att den magnetiska energitätheten är lägre för magneter utan sällsynta jordartsmetaller, vilket gör att energitätheten mätt i kW/kg för elmaskinen kommer blir lägre. För vissa applikationer behöver dock inte maskinens volym bli större, vilket i vissa fall kan vara mer väsentligt än maskinens vikt.

 

Hur har din forskning kopplats till näringslivet?

– Jag har haft samarbeten med flera företag inom vindkraft och vågkraft inom olika projekt finansierade av bland annat Energimyndigheten och EU. I slutet av 2020 startades ett projekt inom ”Swedish Electromobility Centre” ihop med Scania CV AB för att designa motorer utan sällsynta jordartsmetaller för Scanias tillämpningar inom tunga fordon.

Jag samarbetar även med materialforskare både inom Uppsala universitet och inom ett europeiskt konsortium som arbetar med att ta fram nya material som kan användas som permanentmagneter. Jag är intresserad av kopplingen mellan elektrisk maskin driv/el-system och tycker det är viktigt med systemfrågor – att se helheten.

 

Vad ser du för utmaningar framöver, och hur kan din forskning bidra?
– Den stora samhällsutmaning som min forskning bidrar till att lösa är klimatfrågan. För närvarande sker en energiomställning där andelen förnybar energi ökar samtidigt som stora delar av transportsektorn elektrifieras. Denna omställning ställer höga krav på nya tekniska lösningar och användningen av smarta materialval. Det är här design av elektriska maskiner kommer in i bilden.

Min forskning bidrar till denna utveckling, att skapa ett mer miljövänligt energisystem. Detta gör vi genom att både utveckla och skapa förståelse för miljövänliga och effektiva elektriska maskiner till elbilar. Förutom att se över vilka material som används i maskinerna försöker vi även förbättra verkningsgraden på elmotorerna. Om man har en högre verkningsgrad på elmotorn kan man potentiellt minska storleken på batteriet och därmed dra ner på materialåtgången på andra komponenter än bara den elektriska maskinen.

 

 Vad innebär StandUp for Energy för dig och din forskning?
– Jag har varit aktiv inom StandUp for Energy ända sedan start. År 2012 sökte jag en utlyst tjänst som universitetslektor, som delvis finansierades av StandUp och 2020 blev jag befordrad till professor. StandUp har därmed varit med och gjort det möjligt för mig att utföra spännande forskningsprojekt inom energiområdet samt meritera mig som forskare. StandUp har även breddat mitt kontaktnät, både lokalt inom Uppsala universitet men även externt gentemot KTH och Luleå Tekniska Universitet.

Bild från en FEM-simulering av en elektrisk motor med ferritmagneter. Skalan visar magnetisk flödestäthet i Tesla. Bilden är från [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[1] Sjölund, J.; Eriksson, S. Effect of Pole Shoe Design on Inclination Angle of Different Magnetic Fields in Permanent Magnet Machines. Energies 2021, 14, 2437.