Ny højhastighedsmotor giver forbedret effekttæthed til brug i elektriske køretøjer

UNSW-ingeniører har bygget en ny højhastighedsmotor, som har potentialet til at øge rækkevidden af ​​elektriske køretøjer.

Designet af prototypen af ​​IPMSM-motoren var inspireret af formen på den længste jernbanebro i Sydkorea og har opnået hastigheder på 100.000 omdrejninger i minuttet.

Den maksimale effekt og hastighed opnået med denne nye motor har med succes overskredet og fordoblet den eksisterende højhastighedsrekord for laminerede IPMSM'er (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), hvilket gør den til verdens hurtigste IPMSM nogensinde bygget med kommercialiserede lamineringsmaterialer.

Vigtigst er det, at motoren er i stand til at producere en meget høj effekttæthed, hvilket er gavnligt for elbiler ved at reducere den samlede vægt og dermed øge rækkevidden for enhver given ladning.

Den nye teknologi, der er udviklet af et team ledet af lektor Rukmi Dutta og Dr. Guoyu Chu fra UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunications, er en forbedring af eksisterende IPMSM'er, som overvejende bruges til trækkraft af elektriske køretøjer.

En motor af IPMSM-typen har magneter indlejret i sine rotorer for at skabe et stærkt drejningsmoment for et udvidet hastighedsområde. Men eksisterende IPMSM'er lider af lav mekanisk styrke på grund af tynde jernbroer i deres rotorer, hvilket begrænser deres maksimale hastighed.

Men UNSW-teamet har patenteret en ny rotortopologi, som markant forbedrer robustheden, og samtidig reducerer mængden af ​​sjældne jordarters materialer pr. enhed strømproduktion.

Bygning af fremtiden

Det nye design er baseret på de tekniske egenskaber af Gyopo jernbanebroen, en dobbeltbundet buestruktur i Sydkorea, samt en sammensat kurvebaseret mekanisk spændingsfordelingsteknik.

Og motorens imponerende effekttæthed giver potentielt forbedret ydeevne til elektriske køretøjer, hvor vægt er ekstremt vigtig.

"En af tendenserne for elektriske køretøjer er, at de har motorer, der roterer ved højere hastigheder," siger Dr. Chu.

"Hver EV-producent forsøger at udvikle højhastighedsmotorer, og årsagen er, at naturen af ​​fysikkens lov så giver dig mulighed for at formindske størrelsen af ​​den maskine. Og med en mindre maskine vejer den mindre og bruger mindre energi og derfor der giver køretøjet en længere rækkevidde.

"Med dette forskningsprojekt har vi forsøgt at opnå den absolutte maksimale hastighed, og vi har registreret over 100.000 omdrejninger i minuttet, og den maksimale effekttæthed er omkring 7 kW pr. kilogram.

"For en elbilmotor ville vi faktisk reducere hastigheden noget, men det øger også dens effekt. Vi kan skalere og optimere for at levere effekt og hastighed i et givet område - for eksempel en 200 kW motor med en maksimal hastighed på omkring 18.000 o/min. der passer perfekt til EV-applikationer.

"Hvis en elbilsproducent, som Tesla, ønskede at bruge denne motor, så tror jeg, at det kun ville tage omkring seks til 12 måneder at ændre den baseret på deres specifikationer.

"Vi har vores egen softwarepakke til maskindesign, hvor vi kan indtaste kravene til hastighed eller effekttæthed og køre systemet i et par uger, og det giver os det optimale design, der opfylder disse behov."

Den nye IPMSM-prototypemotor blev udviklet ved hjælp af UNSW-teamets helt eget AI-assisterede optimeringsprogram, som evaluerede en række designs for en række forskellige fysiske aspekter – nemlig elektriske, magnetiske, mekaniske og termiske.

Programmet evaluerer 90 potentielle designs og udvælger derefter de bedste 50 procent af mulighederne for at generere et nyt udvalg af designs og så videre, indtil det optimale er opnået. Den endelige motor er den 120. generation, der er analyseret af programmet.

Bortset fra elektriske køretøjer har motoren mange andre potentielle anvendelser. Et af dem er store varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC), som kræver højhastighedskompressorer for at bruge en ny form for kølemiddel, som væsentligt reducerer påvirkningen af ​​den globale opvarmning.

Det kan også bruges i højpræcisions CNC-maskiner, som er meget efterspurgt af luftfarts- og robotindustrien. UNSW højhastighedsmotorteknologien kan tillade sådanne højpræcisions CNC-maskiner at fræse eller bore med minimale diametre.

En anden applikation er som en IDG (Integrated Drive Generator) inde i en flymotor for at levere elektrisk strøm til flysystemer.

UNSW-teamets nye motor tilbyder også en betydelig omkostningsfordel i forhold til eksisterende teknologi og bruger mindre sjældne jordarters materialer såsom neodym.

"De fleste højhastighedsmotorer bruger en muffe til at forstærke rotorerne, og den muffe er normalt lavet af dyre materialer som titanium eller kulfiber. Selve muffen er meget dyr og skal også monteres præcist, og det øger fremstillingsomkostningerne af motoren," siger Dr. Chu.

"Vores rotorer har meget god mekanisk robusthed, så vi har ikke brug for den muffe, hvilket reducerer fremstillingsomkostningerne. Og vi bruger kun omkring 30 % af sjældne jordarters materialer, hvilket inkluderer en stor reduktion i materialeomkostningerne - hvilket gør vores høje -ydelsesmotorer mere miljøvenlige og overkommelige." + Udforsk yderligere

Forsyner havet til rummet