Design and test of Next Generation High Power Density Motors

Det præsenterede arbejde undersøger egenskaberne ved motorer med høj effekttæthed, primært evalueret ud fra deres effekt-til-masse-forhold (specifik effekt) ved hastighedsregimer under højhastighedsmaskiners (under 10.000 [rpm]).

En omfattende gennemgang af de grundlæggende principper for elektrisk motordesign er inkluderet, der beskriver den matematiske ramme, som Maxwells ligninger giver, og egenskaberne af de mange involverede materialer.

Der blev gennemført en litteraturgennemgang, der undersøgte talrige publicerede artikler om emnet. Mange undersøgelser har undersøgt fordelene ved at bruge en aksial fluxtopologi over en radial fluxtopologi for at øge effekttætheden.

Baseret på analysen af både topologier og erfaringerne opnået under denne forskning, er den aksiale fluxmotor identificeret som havende den højeste effekttæthed. Dette tilskrives de geometriske karakteristika af den aksiale fluxtopologi, som giver mulighed for undertrykkelse af bagjernet (eller ågene) og integrationen af en ekstra luftspalte. Denne konfiguration genererer yderligere drejningsmoment, mens den bibeholder en næsten konstant motormasse.

Aksiale fluxmotorer kræver 3D finite element analyse (FEA) for at evaluere deres ydeevne, hvilket involverer betydelige beregningstider for en enkelt løsning. I betragtning af at optimeringstrin kræver adskillige iterationer, kan beregningsomkostningerne være betydelige.

For at minimere beregningstider anvendes en analogi mellem radiale og aksiale fluxmotorer, der involverer analoge parametriske definitioner og grænsebetingelser fra elektromagnetiske og termiske domæner. Denne analogi repræsenterer 3D aksial flux motor som en 2D radial flux analog model. 2D-modellen med radial flux er itereret og optimeret for at opnå egenskaber, der fører til højere effekttæthed. Den optimerede 2D-model konverteres derefter til dens 3D-analoge model for yderligere evaluering og optimering.

Når designet er optimeret og valideret, bruges det til at definere en maskinprototype til konstruktion.

Nøglekarakteristika, såsom elektromagnetisk ydeevne, mekanisk pasform og integritet, termisk ledningsevne og tab blev overvejet i udviklingen af prototypedelene. De relevante processer til at designe og udvikle disse dele (såsom stator, rotorer og hus) er beskrevet detaljeret i kapitlerne 10, 11 og 12.

Efter samlingen af delene blev prototypen elektrisk og mekanisk forbundet til en testbænk til test. Resultaterne opnået fra dette trin er inkluderet og beskrevet i kapitel 13.

Konstruktionstrinene for prototypen blev hovedsageligt udført inden for fakultetet. Dele, der ikke kunne produceres in-house, såsom konstruktion og magnetisering af sintret hårdt magnetisk materiale, blev outsourcet.