Parallel-Flux-Switching Machine (EMVT 08205)

Hybride motor levert hogere energiedichtheid

Vrijwel alle elektromotoren met een hoge energiedichtheid maken gebruik van permanente magneten. Maar de materialen waarvan zulke magneten worden gemaakt zijn schaars en slechts op een beperkt aantal plaatsen ter wereld te vinden. Door de opkomst van elektrische auto’s en scooters stijgt de behoefte aan permanente magneten nog verder. Het IOPproject “Parallel Flux Switching Machines” ontwikkelt een alternatief.

“Elektromotoren zijn overal om ons heen: in huishoudelijke apparaten, computers, camera’s en elektrische tandenborstels. Elektromotoren drijven ook transport- en vervoermiddelen aan, zoals liften en roltrappen, elektrische scooters, treinen, trams en hybride en elektrische auto’s. En dan heb je nog industrieel gebruik van elektromotoren in bijvoorbeeld (wind)generatoren en actuatoren”, vertelt prof. dr. Elena Lomonova van de Technische Universiteit Eindhoven. “Door dat wijdverbreide gebruik neemt de behoefte aan permanente magneten flink toe.” In de meeste typen elektromotoren is namelijk ofwel de stator ofwel de rotor als een permanente magneet uitgevoerd. De ander is altijd een elektromagneet.

Nieuw concept
Oorspronkelijk werden permanente magneten van staal gemaakt; tegenwoordig worden er ook allerlei legeringen gebruikt. Voor heel krachtige elektromotoren zijn dat bijvoorbeeld neodymium-ijzerboor (NdFeB) en samarium-kobalt (SmCo). Lomonova: “Het probleem van metalen als neodymium en samarium is dat ze slechts in enkele landen voorkomen, terwijl onze afhankelijkheid ervan alleen maar toeneemt. Het is dus belangrijk een alternatief te vinden.” Dat alternatief, de flux switching alternator, werd al in 1955 door de onderzoekers Rauch en Johnson bedacht en gepubliceerd. Door gebrek aan geavanceerde vermogenselektronica is met dit concept heel lang niets gedaan. “Er bestaan alleen enkele wetenschappelijke publicaties over, maar tot nu toe heeft niemand systematisch onderzoek verricht naar een nieuw type motor dat hiervan gebruik maakt. In dit project doen we dat wel: we hebben het oorspronkelijke idee van Rauch en Johnson uitgewerkt, de bijbehorende elektromagnetische problemen opgelost en simulatietools ontwikkeld om het gedrag te voorspellen. Op dit moment werken we aan twee prototypes van Parallel Flux Switching Permanent Magnet (FSPM) machines. Daarvoor hebben we twee toepassingen geïdentificeerd.”

Het principe van de Parallel Flux Switching Permanent Magnet (FSPM) machine. In het midden de rotor, daaromheen de stator met windingen en permanente magneten. De gekleurde streepjes in de stator zijn tegengesteld georiënteerde permanente magneten.

Het beste van twee werelden
“Een FSPM-machine is een combinatie van een geschakelde reluctantiemotor en een elektromotor met permanente magneet. De stator bestaat daarbij uit een combinatie van spoelen en permanente magneten”, legt Lomonova uit. “Door de krachtwerking van de magnetische polen op elkaar in de stator gaat de rotor draaien.” Voor de permanente magneten is veel minder materiaal nodig dan in de bestaande elektromotor met permanente magneet. En omdat de spoelen en de magneten zich allemaal in de stator bevinden, is de rotor heel eenvoudig en licht te construeren. “Daardoor heeft deze een kleinere massatraagheid en kun je met deze hybride motor snel remmen en versnellen”, vervolgt Lomonova. “Hij combineert het beste van twee werelden: de robuustheid en snelheid van de geschakelde reluctantiemotor en de grote energiedichtheid van de elektromotor met permanente magneet. De energiedichtheid kan bij een 100 kW Parallel Flux Switching Permanent Magnet machine wel 10 tot 30 procent beter zijn dan bij een conventionele elektromotor.”

Juiste match
Het woord “parallel” in de naam van dit nieuwe concept geeft aan dat de permanente en de wisselstroommagneten in de stator parallel zijn opgesteld en elkaar daardoor versterken; met “switching” wordt aangegeven dat het veld van de elektromagneet constant omschakelt (switcht). “Iedere winding moet dus worden voorzien van een specifiek stroomprofiel, zodat in combinatie met het magnetisch veld van de permanente magneten steeds het juiste koppel ontstaat. Het ontwerpen van deze hybride motor is echter een uiterst complex 3D-nonlineair probleem, want voor iedere toepassing moet je precies de juiste match vinden tussen stroom, magneetveld, en de mechanische en thermische belasting. Verander je één parameter, dan verandert het gedrag volledig. Je moet dus per fenomeen begrijpen wat er gebeurt. We hebben dit gemodelleerd en het probleem in
principe opgelost.”

Waterturbine
Momenteel ontwerpen en bouwen de onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven met behulp van de ontwikkelde simulatie- en designtools twee prototypes. Het eerste prototype is een vrij kleine (3 kW) FSPM-machine voor gebruik als servomotor, bijvoorbeeld om de tafel van een computergestuurde draaibank of transportbanden in distributiecentra aan te sturen. “Omdat de rotor zo licht geconstrueerd kan worden, is deze bij uitstek geschikt voor snel accelereren en positioneren”, zegt Lomonova. De lichte rotor is ook gunstig voor gebruik in generatoren, bijvoorbeeld in waterkrachtcentrales waar elektriciteit wordt opgewekt uit stromend rivierwater. Omdat de rotor zo makkelijk in beweging wordt gebracht, kan deze veel vermogen opwekken. Het tweede prototype is bedoeld voor gebruik in turbines met een doorsnede van 1 tot 5 meter. “De meeste huidige generatoren vereisen een constante watersnelheid en hebben een gearbox nodig om dat voor elkaar te krijgen.  We willen met ons prototype onderzoeken of het ook zonder tandwielkast kan.”

Rooskleurig
Bij de projectpartners bestaat veel interesse in deze nieuwe technologie. Bedrijven als ASML en Bosch Rexroth willen weten wat de mogelijkheden zijn voor hun eigen toepassingen en zijn geïnteresseerd in de fysieke eigenschappen van FSPM-machines. Aan de hand van de prototypes kunnen zij dat straks beoordelen, zegt Lomonova. De vooruitzichten zijn rooskleurig, vindt zij. Dat blijkt ook uit het feit dat nu al op basis van de huidige resultaten een FP7-projectvoorstel is goedgekeurd. Medio 2013 start een Europees onderzoek naar dit concept ten behoeve van de automotive markt. Motoren met een hogere energiedichtheid zijn compacter en lichter. Dat leidt in de transportwereld tot ruimte- en gewichtsbesparing, wat goed is voor het milieu. “Nederland loopt voorop bij deze ontwikkelingen. Met het nieuwe project kunnen we deze Nederlandse innovatie naar Europees niveau tillen.”