EO

Waarom geen lineaire inductiemotor voor Delft Hyperloop?

29 november 2018 om 17:02 uur

Rik Broekhoven (Delft Hyperloop): “..maar 1,2 kilometer om op snelheid te komen en weer stil te staan, dus elke meter-per-seconde-kwadraat telt.”

Aanvankelijk leek het zo’n mooi idee: een lineaire inductiemotor voor de Atlas 01, de Hyperloop-pod van de TU Delft. Toch werd er in het uiteindelijke ontwerp vanaf gezien. Enige criterium voor alweer de derde competitie op het SpaceX-terrein van Elon Musk was namelijk snelheid. En, zo wees een uitvoerige analyse met de multifysische simulatiesoftware van Comsol uit, dan schiet dit aandrijfprincipe net wat te kort.

 

Door Liam van Koert

 

"Twee criteria waren bepalend bij het kiezen van het juiste aandrijfconcept voor onze pod", valt Rik Broekhoven - natuurkundestudent aan de TU Delft en destijds verantwoordelijk voor vele uitgebreide eindige elementenberekeningen - met de deur in huis. "Enerzijds is er de ‘power-to-weight'-ratio die bepaalt hoe hard je over de eindstreep gaat. Tweede ontwerpcriterium was het directe acceleratieprofiel. In de competitie is er immers maar 1,2 kilometer om op snelheid te komen en weer stil te staan, dus elke meter-per-seconde-kwadraat telt."

 

Hyperloop-competitie

De pod van Delft Hyperloop - Atlas 01 genaamd - waarvoor Broekhoven de benodigde analyses uitvoerde, was de tweede Delftse ‘inzending' voor de hyperloopcompetitie. De competitie, die wordt georganiseerd door Elon Musk's SpaceX heeft als doel een nieuw transportsysteem voor middellange afstanden tussen grote steden te ontwikkelen, waarbij een cabine sneller dan een vliegtuig door een vacuüm buis reist. De eerste wedstrijd, waarbij het vooral ging om design werd in januari 2017 door de TU Delft gewonnen. Later, toen er daadwerkelijk geracet werd - ‘Delft' deed aan deze race niet mee - was het de TU München die met een topsnelheid van 384 km/u de eerste prijs in de wacht sleepte. Voor Delft Hyperloop stond er dan ook veel op het spel tijdens een tweede snelheidsmeting in augustus dit jaar. Dat record moest worden gebroken. En dat kon alleen door nog eens heel kritisch en gedetailleerd te kijken naar verschillende aandrijfconcepten.

tOverzicht van het model van de lineaire motor. Parameters die in het model zijn geoptimaliseerd voor krachtdichtheid zijn pole pitch en de slot height/stator yoke height-ratio's. 

 

Zweven of niet?

Zweven heeft een bijna intuïtieve voorkeur voor wie zich tal van door een vacuümbuis zoevende pods voorstelt. Ook Musk en de zijnen komen in een lijvig document vol hyperloopoverwegingen en berekeningen tot de conclusie dat wielen en assen bij snelheden boven de 700 km/h niet echt praktisch zijn (https://bit.ly/2JAf4Rv). Wellicht kunnen ze net als bij vliegtuigen een rol spelen bij vertrek en aankomst, maar zweven met een lineaire motor ligt voor de hand. Ook luchtlagering zoals bij een airhockey-tafel wordt besproken. Wellicht moet er namelijk toch al een compressorsysteem aan de voorkant worden geïnstalleerd om de Kantrowitz-limiet te overwinnen - een snelheidslimiet die het gevolg is van zich ophopende luchtmoleculen aan de voorzijde van de pod. Ja, ook in bijna vacuüm.
Zweven had ook de voorkeur voor de studenten uit Delft. Met name met het oog op schaalbaarheid - een ontwerpcriterium dat hen erg aan het hart gaat en waarmee ze de eerste designcompetitie wonnen - zijn lineaire motoren voordelig. Probleem bij de competitie was echter wel dat er geen magneten in de monorail van het testspoor zaten en er geen aanpassingen aan de baan gedaan mochten worden. De monorail - een aluminium I-balk - was bovendien schaal 1:4 en had een beperkte flenshoogte. Zou er wel genoeg vermogen uit een lineaire inductiemotor gehaald kunnen worden om dat record van 384 km/u te verbreken?

 

Lastige berekening

Aan Rik Broekhoven de schone taak om op deze lastige vraag een antwoord te vinden. "Met het team hebben we echt naar alle oplossingen gekeken. De juiste aandrijfkeuzes, daarmee win of verlies je de wedstrijd. ‘Cold gas propulsion', Halbach-wielen en zelfs een raketaandrijving is heel eventjes overwogen. Hierbij werden power-to-weight-ratio's en acceleratieprofielen vergeleken, maar werd ook gekeken naar haalbaarheid, kosten en complexiteit. Naast de rotatiemotor haalde alleen een DSLIM - een dubbelzijdige lineaire inductiemotor - het tot de shortlist die we tot aan de laatste wervelstroom wilde doorrekenen."

3"Naast de rotatiemotor (hier te zien - red.) haalde alleen een DSLIM - een dubbelzijdige lineaire inductiemotor - het tot de shortlist die we tot aan de laatste wervelstroom wilde doorrekenen." 

 

De eerste?

Dat doorrekenen bleek nog niet zo eenvoudig. Broekhoven: "Hoewel er voor ‘normale' rotatiemotoren veel te vinden is omdat er jarenlang heel veel ontwikkeling heeft plaatsgevonden, is dat voor de DSLIM niet het geval. De enige modellen en onderzoeken die ik kon vinden stammen uit de jaren tachtig. DSLIM-onderzoek waarbij ook allerlei parameters als ‘pole pitch' en statorjukhoogte gevarieerd worden? Wellicht zijn we de eerste, want ik heb ze niet gevonden." Gelukkig werd Broekhoven bijgestaan door Faisal Wani, een promovendus met veel ervaring in de simulatie van elektrische motoren en generatoren. En door de Nederlandse Comsol-vestiging in Zoetermeer, die naast het controleren van de modellen, hielpen met enkele bijzondere eindige-elementenfuncties.

 

‘Moving mesh'

Eigenlijk zegt de naam het al. Een dubbelzijdige lineaire inductiemotor bestaat feitelijk uit twee lineaire motoren die antisymmetrisch ten opzichte van elkaar geplaatst zijn. In dit geval aan weerszijde van de aluminium flens van een monorail. Hoe snel je met een dergelijke motor door een vacuümbuis kunt, hangt af van vele parameters. Er zijn verschillende type windingen mogelijk. Je kunt de afstand tussen de polen - de zogenoemde pole pitch - variëren. En de hoogte van het statorjuk ten opzichte van de groefhoogte blijkt van grote invloed. Last but not least is er ook een slipoptimum - de DSLIM is een asynchrone motor - die een pieksnelheid oplevert.

4Krachtdichtheid als functie van de snelheid voor verschillende slot height/stator yoke height-ratio's. Het eerste getal is de slot height en het tweede stator yoke height. Voor deze toepassing kan een LIM het beste een in verhouding grote slot height hebben. Maar wel een stator yoke height die geen ijzersaturatie oplevert 


Een van de lastige dingen voor het doorrekenen van de parameters is dat de bron van het magnetische veld zich voortbeweegt. In Comsol Multiphysics los je dat op met een bewegend mesh dat je direct aan de snelheid van de motor koppelt. Broekhoven: "Wil je de tot je beschikking hebbende dichtheid van Lorenz-krachten bepalen, dan moet je je mesh goed positioneren ten opzichte van de lijn waarover je integreert. Maar omdat je mesh beweegt is een fout hier zo gemaakt. Gelukkig helpen de ‘moving mesh'-functie en andere ‘out of the box' werkende functies binnen Comsol om fouten te voorkomen door alleen te hoeven parametriseren."

 

Resultaten en conclusies

Na vele rekenuren van mens en laptop - voor sommige berekeningen was de computer een dag bezig - tekende zich een teleurstellend beeld af. Met een DSLIM de wedstrijd winnen? Erg onwaarschijnlijk. "Uit de berekeningen volgde dat een grotere groef en hoger statorjuk de beste resultaten gaf, onder andere omdat verzadigingsverliezen zo voorkomen worden. En hoewel het feit dat de krachtdichtheid bij een grotere motor sneller toeneemt dan de massa, doet de beperkte inbouwruimte in de I-balk dat voordeel de das om. Een power-to-weight-ratio vergelijkbaar met een rotatiemotor wordt hierdoor nooit gehaald. Een vergelijkbare vlieger gaat op voor de pole pitch. Hoe groter deze is, des te groter is de voortstuwing. Maar een directe accelaratie van 1,5g die met rotatiemotoren mogelijk is? Op de huidige hyperlooptrack kom je met DSLIM niet boven de 1g."

5

Een voorbeeld van de eerdergenoemde ijzer saturatie. Hier is de yoke te klein voor de slots. Het magnetisch veld in de yoke wordt te groot en treedt er ijzersaturatie op. Een typische maximum waarde voor het magnetisch veld in de yoke is 1.8 T en dit resultaat zit daar flink boven. 

 

Vierde competitie

De rest is geschiedenis. Team Delft koos voor een krachtige zelf ontwikkelde rotatiemotor en werd tweede met een ongetwijfeld wat tegenvallende topsnelheid van 142 km/u. Grote tegenstander team WARR uit München verbrak haar oude record met een indrukwekkende 467 km/h. Terug naar de teken- en rekentafels dus. Maar er is perspectief. In theorie kan ATLAS01 een topsnelheid van 480 km/u halen. En volgende zomer is er weer een competitie.

 

Kennis: IE Motoren

ie4Het realiseren van concrete energiebesparing en CO2-reductie door het toepassen van efficiënte aandrijfsystemen is een hot topic. Elektromotoren bepalen nu circa 69% van het elektriciteitsgebruik in de industrie. Door inzet van efficiënte elektrische aandrijfsystemen wordt geschat, dat het energieverbruik met 20 tot 30 procent kan worden verlaagd. Om dit te realiseren zijn op Europees niveau richtlijnen in werking getreden. De richtlijn voor energiezuinige elektromotoren (LOT 11) is al sinds 16 juni 2011 van kracht. Hiermee werd een eerste stap gezet naar een hoger efficiency-niveau voor IE motoren. Sinds januari 2015 is de EU- richtlijn verder aangescherpt en per januari 2017 volgt de volgende stap. 

 

White papers

whitepapersDownload hier white papers over het thema Aandrijven, regelen en besturen

 

 

 

Het eDrive systeem: een eenvoudige oplossing voor het testen van hybride aandrijvingen

Deze white paper behandelt alle variabelen die van belang zijn voor het meten en testen van hybride voertuigen en laat zien dat het eDrive systeem een geschikte  oplossing is; zelfs voor de meest complexe testbanken voor hybride aandrijvingen.

Download de white paper van HBM

 

Hoe machines en installaties worden voorbereid op verbinding met het IoT

De industriële-automatiseringswereld is versmolten met de eerste generatie IT-technologie. Dit was een voorwaarde voor de volgende stap naar Industrie 4.0: het netwerk van intelligente componenten in het Internet of Things.

 Download de white paper van Eaton 

  

13 veel voorkomende oorzaken van motorstoringen

Deze white paper laat zien hoe de 13 meest voorkomende oorzaken van het defect raken van de isolatie van wikkelingen en van lagers van tevoren kunnen worden vastgesteld.

Download de white paper van Fluke

  

Machineautomatiseringsconcepten die innovatie voor een gedigitaliseerde productie mogelijk maken

Om de uitdagingen van de gedigitaliseerde industriële toekomst het hoofd te kunnen bieden, automatiseren we machines met volledig schaalbare en naadloos herbruikbare technologieën.

Download de white paper van Omron

 

Push-In Plus-techniek

Bij het bouwen van een besturingspaneel is het aanbrengen van de bedrading bijna altijd een tijdrovende en kostbare klus. Met de gepatenteerde ‘Push-in Plus' techniek van Omron wordt die bedradingstijd met 60% gereduceerd.  

Download de white paper van Omron

 

Inspectiesystemen voor producttraceerbaarheid

De mogelijkheid om individuele producten in de toeleveringsketen naar de consument te traceren, wordt steeds belangrijker voor producenten van voedingsmiddelen, dranken, tabak en farmaceutische producten, geassocieerde machinebouwers en engineeringbedrijven. Het doel is om de immense markt van namaakproducten te bestrijden en/of te voldoen aan de vraag naar informatie door consumenten (van ‘boer tot bord').

Download de white paper van Omron

 

Van werkvloer tot directieniveau

Voor producenten zijn er steeds meer redenen om besturingssystemen voor afzonderlijke productielijnen en -apparatuur te integreren. De technologische ‘magie' om dit te realiseren is sneller, eenvoudiger en intelligenter dan ooit.

Download de white paper van Omron

   

Kosten verlagen door elektrische problemen en motorproblemen in fabrieken op te lossen

Simpele storingen kunnen hele productielijnen stilleggen. Zelfs het simpelweg vervangen van een zekering kan een half uur duren. Alleen al productieverlies kan in sommige industrieën wel 1000 euro per minuut kosten, en ergens anders kan een storing in zelfs een relatief klein onderdeel betekenen dat een hele partij tijdens de productie verloren gaat. 

Download de  white paper van Fluke

  

IXM: sneller uitrollen  van netwerken

De nieuwste trend in moderne industriële omgevingen is de snelle inzet en flexibiliteit van een netwerktopologie. het opwaarderen van de firmware en het instellen van de configuratie is een uitdagende taak, voor zowel IT'ers als system integrators. Advantech introduceert de eerste serie switches om het uitrollen en configureren van netwerken sneller en efficiënter te maken.

Download de white paper van Advantech

  

Selectie van proportionele regelventielen

Proportionele ventielen bieden een prijsgustige en compacte oplossing voor het regelen van flow of druk bij relatief lage flow-snelheden. Er zijn veel verschillende ontwerpen en stijlen voor uiteenlopende drukken en stroomsnelheden, met elektrische of elektropneumatische aansturing. Bij het kiezen van het juiste ventiel voor een toepassing is het belangrijk om de vereisten voor die toepassing De white paper leidt je door de belangrijkste overwegingen die van toepassing zijn voor de selectie van proportionele ventielen, om zo een weloverwogen keuze te kunnen maken.

Download de white paper van Asco

 

Motoren beveiligen voor de IE3 revolutie

Wat de ErP betekent voor schakel- en beveiligingssystemen en elektromotoren (white paper van Eaton)