< Terug naar vorige pagina

Project

Het werkingsprincipe van een piëzo-gestuurde magnetische flux schakelaar.

Dit doctoraat beschrijft een nieuw werkingsprincipe voor kleine elektrische motoren. Het doel van dit nieuw werkingsprincipe bestaat er in het rendement van kleine elektrische motoren te verbeteren. In traditionele elektrische motoren wordt een draaiveld opgewekt door tijdsafhankelijke stromen die vloeien door een set van statorspoelen. De stator Joule verliezen vertegenwoordigen minstens 50 % van alle verliezen wanneer het uitgangsvermogen kleiner is dan 1 kW.

 

De stator Joule verliezen zijn geëlimineerd door gebruik te maken van permanente magneten en een composietmateriaal bestaande uit piëzo-elektrische en magnetostrictieve materialen. De stator Joule verliezen zijn deels vervangen door diëlectrische verliezen, die slechts 20 % van het toegevoerde vermogen bedragen. Het gevormde composiet, bestaande uit piëzo-elektrische en magnetostrictieve materialen, vormt het anisotropisch gecontroleerd ferromagnetisch composietmateriaal, dat elektrostatische energie omvormt tot magnetische energie. De interne mechanische spanning, gegenereerd door het piëzo-elektrisch materiaal, verandert het magnetisch gedrag van het anisotropisch gecontroleerd ferromagnetisch composietmateriaal. Hierdoor verkrijgt het anisotropisch gecontroleerd ferromagnetisch composietmateriaal de functie van een variabele reluctantie (magnetische weerstand). Zulke variabele reluctanties, samen met permanente magneten, worden geïmplementeerd in een axiale permanent magneet geschakelde reluctantie motor.

 

Het nieuwe werkingsprincipe is gedemonstreerd met een magneto-mechanische eindige elementenmethode. Deze magneto-mechanische eindige elementenmethode is gebouwd rond een verbeterd energie gebaseerd materiaalmodel. De magneto-mechanische eindige elementenmethode bestaat uit twee solvers: (i) de radiaal symmetrische magnetische solver en (ii) de cartesiaans mechanische solver. De radiaal symmetrische magnetische solver is een nieuwe twee dimensionale eindige elementenmethode. De verwezenlijkingen aan de radiaal symmetrische magnetische solver en het energie gebaseerd materiaalmodel waren cruciaal voor de simulatie en de verdere studie van het nieuwe werkingsprincipe.

 

Het opzetten van de radiaal symmetrische magnetische solver is nuttig omdat het nieuwe werkingsprincipe bij voorkeur geïmplementeerd wordt in een axiale flux machine. De radiaal symmetrische magnetische solver is geen standaard solver, wat de ontwikkeling van een set van aangepaste vormfuncties noodzakelijk maakte. Deze vormfuncties hebben een bijzondere afhankelijkheid van de radiale coördinaat, zodat de volgende eigenschappen voldaan zijn: (i) partitie-eenheid, (ii) consistentie en (iii) convergentie. Deze bijzondere afhankelijkheid komt niet voor in de standaard twee dimensionale cartesiaanse en as-symmetrische eindige elementenmethode.

 

Het nieuwe werkingsprincipe maakt gebruik van magnetostrictieve materiaaleigenschappen om magnetische energie om te vormen in mechanische energie. Dit vereist een goed inzicht en een betrouwbare simulatie van het magneto-elastische materiaalgedrag. Dit vereist een eerder fysisch gerelateerd materiaalmodel dan een fenologisch materiaalmodel. De meervoudige schaalmethode, voorgesteld door L. Daniel et. al., is gevolgd omdat deze nog steeds gebruik maakt van de microscopische aanpak; maar met een lagere rekenkost. Dit materiaalmodel maakt nog steeds gebruik van de micro-magnetische theorie, waarbij statistische verdelingen het rekenwerk verminderen en resulteren in het anhysteretische materiaalgedrag. Tijdens een drie maand durende onderzoekstage aan het RWTH Aachen, werd het hysteresis effect geïmplementeerd in het materiaalmodel door een nieuwe energiefunctie te introduceren.

 

Deze verwezenlijkingen lieten toe om via de magneto-mechanische eindige elementen solver het nieuwe werkingsprincipe te simuleren. Deze simulatieresultaten bevestigen dat de initiële veronderstellingen geldig zijn en toont aan dat het nieuwe motorconcept een betrouwbaar alternatief is voor de bestaande kleine traditionele elektrische motoren. Bovendien tonen de simulaties aan dat de performantie van deze motor te vergelijken is met de performanties van commercieel beschikbare motoren. Er kan dan ook gesteld worden dat dit nieuwe motorprincipe een groot potentieel heeft.

Datum:7 nov 2011 →  31 dec 2015
Trefwoorden:Piezo-Actuated, Magnetic, Flux, Switch
Disciplines:Andere biologische wetenschappen, Andere natuurwetenschappen
Project type:PhD project