UNSW-ingenieurs hebben een nieuwe hogesnelheidsmotor gebouwd die het potentieel heeft om het bereik van elektrische voertuigen te vergroten.

Het ontwerp van het prototype IPMSM-motor is geïnspireerd op de vorm van de langste spoorbrug in Zuid-Korea en heeft snelheden van 100.000 omwentelingen per minuut gehaald.

Het maximale vermogen en de snelheid die door deze nieuwe motor worden bereikt, hebben het bestaande hogesnelheidsrecord van gelamineerde IPMSM's (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) met succes overtroffen en verdubbeld, waardoor het 's werelds snelste IPMSM is die ooit is gebouwd met gecommercialiseerde lamineringsmaterialen.

Het belangrijkste is dat de motor een zeer hoge vermogensdichtheid kan produceren, wat gunstig is voor EV's bij het verminderen van het totale gewicht en dus voor een groter bereik voor een bepaalde lading.

De nieuwe technologie, ontwikkeld door een team onder leiding van universitair hoofddocent Rukmi Dutta en Dr. Guoyu Chu van de UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunications, is een verbetering ten opzichte van bestaande IPMSM's, die voornamelijk worden gebruikt in tractieaandrijving van elektrische voertuigen.

Een motor van het IPMSM-type heeft magneten ingebed in de rotors om een ​​sterk koppel te creëren voor een groter snelheidsbereik. Bestaande IPMSM's hebben echter last van een lage mechanische sterkte vanwege dunne ijzeren bruggen in hun rotoren, waardoor hun maximale snelheid wordt beperkt.

Maar het UNSW-team heeft een nieuwe rotortopologie gepatenteerd die de robuustheid aanzienlijk verbetert, terwijl ook de hoeveelheid zeldzame aardmaterialen per eenheid stroomproductie wordt verminderd.

De toekomst overbruggen

Het nieuwe ontwerp is gebaseerd op de technische eigenschappen van de Gyopo-spoorbrug, een dubbelgebonden boogstructuur in Zuid-Korea, evenals een op samengestelde curve gebaseerde mechanische spanningsverdelingstechniek.

En de indrukwekkende vermogensdichtheid van de motor biedt mogelijk verbeterde prestaties voor elektrische voertuigen waar gewicht uiterst belangrijk is.

"Een van de trends voor elektrische voertuigen is dat ze motoren hebben die met hogere snelheden draaien", zegt Dr. Chu.

"Elke EV-fabrikant probeert hogesnelheidsmotoren te ontwikkelen en de reden is dat je door de aard van de natuurwetten de grootte van die machine kunt verkleinen. En met een kleinere machine weegt hij minder en verbruikt hij minder energie en daarom dat geeft het voertuig een groter bereik.

"Met dit onderzoeksproject hebben we geprobeerd de absolute maximale snelheid te bereiken, en we hebben meer dan 100.000 omwentelingen per minuut geregistreerd en de piekvermogensdichtheid ligt rond de 7 kW per kilogram.

"Voor een motor van een elektrisch voertuig zouden we de snelheid eigenlijk iets verlagen, maar dat verhoogt ook het vermogen. We kunnen schalen en optimaliseren om vermogen en snelheid te leveren in een bepaald bereik, bijvoorbeeld een motor van 200 kW met een maximumtoerental van ongeveer 18.000 tpm die perfect past bij EV-toepassingen.

"Als een fabrikant van elektrische voertuigen, zoals Tesla, deze motor zou willen gebruiken, dan denk ik dat het slechts zes tot twaalf maanden zou duren om deze aan te passen op basis van hun specificaties.

"We hebben ons eigen softwarepakket voor machineontwerp waar we de vereisten voor snelheid of vermogensdichtheid kunnen invoeren en het systeem een ​​paar weken kunnen laten werken, en het geeft ons het optimale ontwerp dat aan die behoeften voldoet."

De nieuwe IPMSM-prototypemotor is ontwikkeld met behulp van het eigen AI-ondersteunde optimalisatieprogramma van het UNSW-team dat een reeks ontwerpen evalueerde voor een reeks verschillende fysieke aspecten, namelijk elektrisch, magnetisch, mechanisch en thermisch.

Het programma evalueert 90 potentiële ontwerpen, selecteert vervolgens de beste 50 procent van de opties om een ​​nieuwe reeks ontwerpen te genereren, enzovoort, totdat het optimum is bereikt. De laatste motor is de 120e generatie die door het programma is geanalyseerd.

Naast elektrische voertuigen heeft de motor nog vele andere potentiële toepassingen. Een daarvan zijn grote verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC) die hogesnelheidscompressoren nodig hebben om een ​​nieuwe vorm van koelmiddel te gebruiken die de impact op de opwarming van de aarde aanzienlijk vermindert.

Het kan ook worden gebruikt in uiterst nauwkeurige CNC-machines die veel worden gevraagd door de luchtvaart- en robotindustrie. Dankzij de hogesnelheidsmotortechnologie van UNSW kunnen dergelijke uiterst nauwkeurige CNC-machines met minimale diameters frezen of boren.

Een andere toepassing is als IDG (Integrated Drive Generator) in een vliegtuigmotor om elektrische stroom te leveren voor vliegtuigsystemen.

De nieuwe motor van het UNSW-team biedt ook een aanzienlijk kostenvoordeel ten opzichte van bestaande technologie en gebruikt minder zeldzame aardmaterialen zoals neodymium.

"De meeste hogesnelheidsmotoren gebruiken een huls om de rotoren te versterken en die huls is meestal gemaakt van duur materiaal zoals titanium of koolstofvezel. De huls zelf is erg duur en moet ook nauwkeurig worden gemonteerd en dat verhoogt de productiekosten van de motor," zegt Dr. Chu.

"Onze rotoren hebben een zeer goede mechanische robuustheid, dus we hebben die huls niet nodig, wat de productiekosten verlaagt. En we gebruiken slechts ongeveer 30% zeldzame aardmaterialen, wat een grote verlaging van de materiaalkosten inhoudt - waardoor onze hoge -prestatiemotoren milieuvriendelijker en betaalbaarder." + Verder verkennen

Van zee naar ruimte drijven