SRM

EVS24, het is de 24e editie van de Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Expidition en zal dit jaar plaatsvinden te Stavanger in Noorwegen. Meer dan 450 papers zijn geschreven en zullen daar worden voorgesteld, meer dan honderd mensen uit de industrie en universiteiten zullen spreken, nieuwe technologieën zullen aan het licht worden gebracht, en nog veel meer.

Bekende gasten zijn ondermeer: Amory Lovins, heeft meer dan 29 boeken gepubliceerd waaronder het bekende boek Winning the Oil Endgame. Hij is medeoprichter van Rocky Mountain Institute en adviseert de Amerikaanse regering. Car magazine zette hem op 22e plaats op de lijst van machtigste mensen in de globale autoindustrie.

Hermann Scheer, stichter en voorzitter van de WCRE en Duits parlementslid. Time Magazine benoemde hem als een van de helden van de Green Century. En nog veel meer interessante figuren. Het mag wel gezegd worden dat hier de toekomst van de auto-industrie wordt besproken…

En zo als u het al kon raden, ook wij zullen van de partij zijn. Dankzij hun promotor, dr. Ir. Tiene Nobels, hebben Maarten en Thomas de kans gekregen om deel te nemen aan de prestigieuze EVS-conferentie in Stavanger, Noorwegen.

Maarten en Thomas maken deel uit van het VDS-Groep T-team, waarin zij de verantwoordelijkheid dragen voor het ontwerp van de elektrische motor die de VDS-wagen zal aandrijven.

De thesis van Maarten en Thomas betreft het ontwerp van een geschakelde reluctantie motor voor een elektrisch voertuig. Hun thesis in papervorm werd aanvaard voor publicatie door EVS en zij zullen midden mei deze gaan verdedigen in Noorwegen.

Een geschakelde reluctantie motor is een iets of wat exotisch type elektrische motor, pas de laatste paar jaren is deze technologie een hot topic binnen de onderzoekswereld geworden. Door zijn robuuste bouw, laag kostenplaatje en hoge efficiëntie is deze motor een zeer goede kandidaat voor de aandrijving van een elektrische wagen.

Woensdag 18 februari vond de tweede netwerkavond van VDS GROEP T plaats. In aanwezigheid van Vlaams minister voor economie, ondernemen, wetenschap, innovatie en buitenlandse handel Patricia Ceysens, alle partners en partners-in-wording werd het eerste prototype van vorige zomer tentoongesteld. Dé eye-catcher van de avond mogen we wel zeggen.

Dit eerste prototype kwam geluidloos en totaal onverwacht achter het publiek binnenrijden. Ook de minister zelf kon het niet laten om even plaats te nemen achter het stuur !

Tevens werd het concept van het tweede prototype waar het team dit academiejaar aan werkt, de VISION GT, voorgesteld. Het 12-koppig team wil dit tweede prototype komende zomer aan de buitenwereld presenteren. Momenteel legt het team de laatste hand aan de berekeningen van de SRM-motor en het aluminium frame.

Ten derde werd werd ook ODYSSEE voorgesteld. Vanaf 2009 start VDS GROEPT een zusterproject van VDS, en gaan het verder onder de naam ODYSSEE. We willen een bijzonder concrete aanzet geven tot de ontwikkeling van een productieklare elektrische wagen. We zien daarin een belangrijke rol weggelegd bij zowel universiteiten, ondernemingen als de overheid. De opgedane kennis van de elektrische motor, motorcontroller en lichtgewicht structuren blijven niet onbenut: ODYSSEE richt zich op de ontwikkeling van een elektrische aandrijflijn.

De nadruk ligt op de integratie van de verschillende onderdelen: batterijen, SRM-motor, lader en een efficiënte aansturing van het geheel. In een later stadium zullen we deze aandrijflijn in een showcase wagen integreren. De aandrijflijn moet commercieel interessant, efficiënt, lichtgewicht en vooral betrouwbaar worden.

Het controllerteam spitst zich in 2008-2009 op twee domeinen toe: de hardwarematige implementatie van het PMSM controlleralgoritme – zowel de sturing als de hoogvermogen elektronica – en de eerste ontwikkelcyclus van het SRM algoritme. In het eerste kwartaal van 2009 staat een werkende PMSM controller op de planning; een eerste versie van het SRM motoralgoritme staat voor het tweede kwartaal gepland.

Momenteel werken enkele studenten aan de implementatie van het motor controller algoritme op een hardware platform, het XUP Virtex-II Pro bord van Xilinx voor de kenners. Dit algoritme werd vorig jaar reeds ontworpen en succesvol getest op een 50kW motor. Om te beginnen wordt het algoritme volledig in software geschreven en getest. Nadien worden de stukken code een voor een vertaald naar hardware, waardoor zal het algoritme veel sneller zal kunnen werken. Dit is nodig om motoren met grote vermogens vlot aan te kunnen sturen. Op dit moment is ongeveer de helft van het algoritme in software omgezet. Tegen eind december moet alles in software staan, waarna ze dan kunnen starten met het vertalen naar hardware. Het eerste prototype van het stuurgedeelte van de motor controller zou klaar moeten zijn begin april.

Daarnaast wordt er ook verder gewerkt aan de inverter, die het nodige vermogen (30kW) voor de motor moet leveren. Het eerste prototype hiervan zal zich echter beperken tot een lager vermogen van 3kW. De afgelopen maanden is er vooral gewerkt aan de verschillende metingen die het controle algoritme nodig heeft om de motor correct aan te sturen en circuits ter beveiliging van deze vermogentrap. Ook een efficiënte voeding die de benodigde voltages levert om de verschillende circuits van de controller te voeden is bijna klaar. Hierna zal er overgegaan worden op het testen van een kleine motor. Met de ervaring en de resultaten van deze testen kan dan begonnen worden aan het finale ontwerp.

Bekijk alle berichten van het motorcontrollerteam.

Het motorteam heeft in september 2008 het ontwerp van de PMSM motor afgerond. Deze motor wordt gebruikt in combinatie met de PMSM controller. Deze zal in het tweede kwartaal van 2009 het licht. De bouw van de SRM (Switched Reluctance) motor staat ook voor het eerste kwartaal van 2009 op de planning; de VISION GT wordt met deze motor uitgerust. De SRM motor is de ultieme motor qua levenscycluskost; hoewel deze niet de hoogste energie efficiëntie van alle motoren heeft – Brushless DC en PMSM motor zijn het meest efficiënt – is deze in productie en recyclage qua milieu impact voorlopig onverslagen.

Maarten Vanhove en Thomas Gheysen werken samen aan de Geschakelde Reluctantie Motor voor de Vision GT. Deze 30 kW motor wordt volledig zelf ontworpen en onderzocht in het kader van het vds-project en natuurlijk kaderen de eigenschappen van de motor in het milieuvriendelijke aspect van het project. Door gebrek aan zeldzame metalen (magneten) en een uiterst robuuste constructie heeft deze motor een voortreffelijke Levens Cyclus Kost.

Op dit moment zitten Thomas en Maarten in de afronding van de fase ‘Geometrische Aanpassingen’. Dit wil zeggen dat het geometrisch design van de motor zo goed als af is en dat er binnenkort een thermische analyse zal plaatsvinden. De eigenlijke bouw van de motor is niet meer zo ver weg!

Natuurlijk is er ongelooflijk veel werk vooraf gegaan. Het motorteam is, na een uitgebreide literatuurstudie, begonnen met een analytisch rekenprogramma te ontwerpen waar op een gemakkelijke en snelle manier een eerste beeld kan gevormd worden van het gemiddeld koppel dat de motor zal opwekken. Op deze manier kan men een ruwe schatting maken van de eerste afmetingen van de motor.

Na deze eerste schatting is het natuurlijk tijd om deze te gaan verifiëren in een eindig elementenpakket. Het motorteam gebruikt de software Magnet® (met dank aan Esat). Via deze software kunnen ongelooflijk veel geometriën worden getest, met name aanpassingen van rotor en stator hoeken, luchtspleetbreedte, afronding van statorpolen, etc.

Bekijk alle berichten van het motorteam.

Het motorteam is op dreef: na verschillende dagen en nachten op de workstations van de ESAT ergens in het territorium van de Katholieke Universiteit van Leuven te hebben doorgebracht, stromen de eerste veelbelovende resultaten van de SRM motor binnen. Verschillende combinaties tussen statorpoolhoeken en rotorpoolhoeken, luchtspleten en afrondingen om u tegen te zeggen werden door onze software gejaagd en vergeleken met elkaar. Conclusies zullen worden gemaakt, verslagen zullen worden geschreven.

Maar ook buiten het zware technische werk van onze vrienden schijnt er qua sponsoring ook het een en het ander te gebeuren. Woensdag is er een team afgezakt naar het verre Ieper te midden de West-Vlaamse velden. Daar vestigt zich Picanol. Een bedrijf dat weefmachines maakt. “Waarom weefmachines?” zult u denken. Wel, omdat deze weefmachines gebruik maken van de zeldzame geschakelde reluctantiemotoren die wij onderzoeken. PsiControl Mechatronics, een spin-off van Picanol, ontwikkelt deze motoren. De onderneming in kwestie ondersteunt ons vanaf nu door hun kennis en expertise te delen en ons te helpen met onze taak. Verdere stand van zaken omtrent de samenwerking volgt weldra...

Bezoek de website van PsiControl Mechatronics voor meer informatie.

Zoals Thomas al zijn vorige blogbericht aangaf zijn we op dit moment bezig met het optimaliseren van de motorgeometrie.

Op dit moment zijn we 5 verschillende geometrieën aan het uittesten. We hebben aanpassingen aan de pool en het juk van de stator aangebracht en de eerste resultaten zijn zeer veelbelovend.

Onderstaande figuren geven al wat van ons gedane werk weer.

De eerste figuur geeft de koppelrimpel zonder geometrie aanpassingen weer, de tweede met. De gedane aanpassingen zijn te bewonderen in figuur 3.

De maand september is bij het motorteam volledig gericht op het project. Na een paar weken er tussenuit te zijn geweest, zijn wij beide terug gemotiveerder dan ooit. En dat werpt zijn vruchten af. Momenteel zijn wij bezig met het optimaliseren van de geometrie van de motor. Dit wil eigenlijk zeggen dat we de vorm van de motor zo gaan aanpassen dat we een zo efficiënt mogelijk werking verkrijgen, waardoor de motor zo licht en compact mogelijk wordt en tegelijkertijd toch een groot koppel levert. Ondertussen zorgen we er ook voor dat de koppelrimpel wordt gereduceerd. Deze veroorzaakt vele neveneffecten, zoals trillingen en lawaai. Een optimaal design zal leiden tot een grote koppel-massa verhouding en een stille en zachte werking.

Als dit alles goed verloopt en de optimale geometrie gevonden is, zullen wij een paper schrijven voor de 'Vehicular Technology Conference’ in Barcelona in april 2009. Deze conferentie zal gaan over de nieuwste technologiën in de transportwereld. Omdat een geschakelde reluctantiemotor, onze motor dus, een nieuwe toepassing biedt in deze wereld zullen wij proberen een plaats te veroveren op deze conferentie. Over verdere verderingen en de stand van zake betreffende de conferentie houden wij jullie op de hoogte!

Thomas en Maarten

Na een zeer uitgebreide literatuurstudie begonnen Maarten en Thomas aan hun zware taak: ontwerp van een SRM (switched reluctance motor) voor de hybride wagen. De afloop van hun project wordt gepland midden 2009.

Maar hoe ga je nu in godsnaam aan zoiets beginnen? Een kort overzicht van het designalgoritme:

1. Analytisch. De motor wordt volledig analytisch beschreven. Dit houdt in dat ze twee verschillende toestand beschrijven. De gealigneerde positie en de ongealigneerde positie (beide zijn te bewonderen in figuur 1). Aanvankelijk werd het analytisch rekenprogramma Maple gebruikt, maar door het grote aantal iteraties die ze moesten uitvoeren bleek een geautomatiseerd LabVIEW algoritme de beste keuze. Het uiteindelijk algoritme is iets te uitgebreid om hier te laten zien, maar het frontpanel van het programma zie je op figuur 2.
Uit deze berekeningen vinden we uiteindelijk een ruwe schatting van de dimensies. Deze gegevens worden dan natuurlijk gebruikt in fase 2.

2. FEA: Eindige Elementen Analyse. Tegenwoordig wordt bijna alles berekend door computers en eindige elementen pakketten zijn hierbij zeer handig. Zij opteerden voor het pakket MagNET van Infolytica. Dit is een FEA-pakket die de magnetische kant van het design volledig voor zich neemt. Hierin staken we dan natuurlijk onze eerder gevonden dimensies om alles een keer te verifiëren. Uit dit programma zal binnenkort het definitieve model van hun motor komen.

3. Eenmaal alles is berekend en gesimuleerd kunnen ze beginnen aan de eigenlijke bouw van de motor.

Op dit moment zitten ze volop in de tweede fase, de tutorials van MagNET zijn al volledig verteerd en ze zijn nu bezig verschillende combinaties van dimensies te verifiëren.

Thomas en Maarten, die instaan voor het ontwerp van de geschakelde reluctantiemotor zijn al goed onderweg. Deze week hebben ze een eerste vereenvoudigd model gesimuleerd met solid works, een 3D-teken programma. Het is de bedoeling dat ze stapsgewijs via berekeningen steeds meer afmetingen bepalen en het ontwerp dan aanpassen, om uiteindelijk de beste motor te bekomen. Verdere vorderingen zullen op de blog te lezen zijn.

De vergelijkende studie van de verschillende soorten elektrische motoren begint stilaan vorm te krijgen. In de loop van komende week zou deze volledig afgerond moeten zijn, waarna we kunnen overgaan tot een besluit over welk type motor we juist gaan ontwikkelen voor de Vision.

We kunnen momenteel al verklappen dat het een strijd zal worden tussen brushless DC en switched reluctance, twee elektrische motoren met een zeer hoog rendement.