Améliorer le rendement des appareils électriques de demain
Les petits moteurs électriques, présents aussi bien dans les tapis roulants que dans les brosses à dents électriques, jouent un rôle essentiel dans notre quotidien. Compte tenu de leur omniprésence, le moindre gain de rendement énergétique peut avoir un impact significatif. C’est pourquoi de nombreux travaux de recherche se sont intéressés à un phénomène appelé «pertes dans le fer». Il s’agit de l’énergie électrique dissipée sous forme de chaleur dans le noyau magnétique de ces appareils. Fonctionnant grâce à des champs magnétiques variables, les moteurs électriques subissent des pertes d'énergie constantes.
Des alliages amorphes à structure vitreuse
Le projet AM2SoftMag(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par le Conseil européen de l’innovation(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), entend remédier à ce problème en améliorant les matériaux utilisés dans les moteurs électriques. «Dans les moteurs actuels, le stator et le rotor sont fabriqués à partir d’alliages de fer magnétiques doux conventionnels à gros grains», explique Ralf Busch, coordinateur du projet AM2SoftMag et professeur à l’université de la Sarre(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), en Allemagne. «Nous voulions remplacer ces alliages cristallins conventionnels par des alliages amorphes à structure vitreuse, qui ne dissipent pratiquement aucune énergie lors de la remagnétisation.» Malgré son nom, le verre métallique est loin d’être fragile, il est en réalité nettement plus résistant que l’acier. Le terme «verre» fait référence à la structure interne du matériau, qui est amorphe, c’est-à-dire dépourvue de réseau cristallin. «Dans les métaux conventionnels, les atomes sont organisés selon un réseau cristallin ordonnés», ajoute Ralf Busch. «Dans les verres métalliques, les atomes sont disposés de manière désordonnée et amorphe.»
Des moteurs électriques imprimés en 3D
Pour fabriquer des composants à partir de ces matériaux, l’équipe du projet a eu recours à la fabrication additive, plus connue sous le nom d’impression 3D. Les chercheurs ont utilisé des alliages magnétiques doux amorphes sous forme de poudre pour fabriquer des moteurs électriques imprimés en 3D à haut rendement destinés à des applications de petite taille. Ils ont sélectionné et testé des centaines d’alliages potentiels afin d’évaluer leur résistance à la cristallisation. L’alliage idéal devait non seulement se vitrifier, c’est-à-dire former un verre, mais aussi être compatible avec l’impression 3D. Finalement, trois alliages adaptés ont été sélectionnés. Le procédé de fabrication consistait d’abord à faire fondre la poudre au laser, puis à contrôler avec précision son refroidissement. Cela a permis de fabriquer, couche après couche, des pièces de moteur entièrement constituées de verre métallique amorphe, chaque couche n’ayant qu’une épaisseur de 50 micromètres et ne contenant aucun cristallite parasite. En «figeant» les atomes avant la formation d’un réseau cristallin, le matériau acquiert une structure de verre métallique. L’absence de réseau cristallin facilite la remagnétisation, ce qui réduit considérablement les pertes dans le fer.
Réduire la consommation d’énergie
Le projet AM2SoftMag constitue une avancée majeure vers des appareils électriques plus sobres en énergie. Un autre avantage majeur de ces travaux est que l’utilisation de métaux amorphes permettra aux fabricants de se passer de certains éléments d’alliage critiques, tels que le cobalt. Ce minerai est principalement extrait dans des régions du monde marquées par des tensions géopolitiques et où les conditions de travail restent préoccupantes. Les prochaines étapes consisteront à transposer ce procédé à l’échelle industrielle, afin d’en garantir la fiabilité. Les débouchés potentiels sont considérables, tant la demande en moteurs électriques est forte. Comme le souligne Ralf Busch, il existe probablement des centaines d’applications pour ce type de moteur, par exemple pour contrôler le réglage d’un siège dans une voiture de luxe. «Le simple fait de changer de matériau permet de réduire la consommation d’énergie d’une multitude de moteurs électriques du quotidien et, à terme, d’accroître l’autonomie d’équipements tels que les trottinettes électriques ou les drones», explique-t-il.
