Notat. PSO-F&U Ansøgningsskema for år Dansk projekttitel: Design og konstruktion af magnetiske gear. 2. Indsatsområde:

Transkript

1 Notat Sag: 2002/ J.nr.: Vor ref.: JBJ/MMH oktober 2002 PSO-F&U Ansøgningsskema for år 2002 Dato for udfyldelse: (udfyldes af ansøger) 28. oktober 2002 Udfylder reference: (udfyldes af ansøger) Peter Omand Rasmussen Institut for Energiteknik Dato for eventuel revision: (udfyldes af ansøger) ELFORs dok.nr.: (udfyldes af ELFOR) 1. Dansk projekttitel: Design og konstruktion af magnetiske gear Engelsk projekttitel: Design and construction of magnetic gears Projektnr.: (Oplyses af ELFOR) 2. Indsatsområde: X Roterende elforbrugende systemer Industrielle processers optimering, herunder standby Typer af aktiviteter: Forskning Totalenergi rettet mod off. sektor, boliger samt handel og service Andet 3. Resumé af projektet: Formålet med projektet er at udvikle viden og beregningssoftware til nye magnetiske gear. I projektet forventes det at anvendelsen af moderne permanente magneter og nye magnetiske gear-topologier vil give et seriøst alternativ til klassiske mekaniske gear. De nye magnetiske gear forventes bla. at have et stor moment-volumen forhold, samt at være høj-effektive og vedligeholdes frie. I projektet fremstilles der to forsøgsmodeller.

2 4. Projektansvarlig organisation Adresse: SE-nummer: Tlf.: Fax: Projektansvarlig: Peter O. Rasmussen Regnskabsansvarlig: Faglig projektleder: Peter O. Rasmussen Tina Larsen Nøglemedarbejdere: Tlf.: Fax: Tlf.: Fax: Tlf.: Fax: Tlf.: Fax: Øvrige projektdeltagere/virksomheder (navn og institution): Faglig projektleder: Tlf.: Fax: Torben Andersen nn. PhD.stud Nøglemedarbejdere: Tlf.: Fax: 5. Årsopdelt finansieringsplan (Artsopdelt budget anføres i punkt 14): År 2003 År 2004 År 2005 År 2006 Beløb i DKK ELFOR Øvrig ELFOR Øvrig ELFOR Øvrig ELFOR Øvrig Totalt budget Dato: Projektansvarliges underskrift: 7. Finansiering og mandskabsindsats: Alle beløb i DKK Organisation/virksomhed/instit ution ELFOR Øvrig (Øvrig finansiering skal specificeres) PSO Egenfinansiering finansiering Total Timer Aalborg Universitet, Institut Apparatur og udstyr Drift, rejser og møder Overhead og taxameter Total Hvis der ønskes en lavere egenfinansiering af de samlede projektudgifter, eller der ønskes et højere omkostningstillæg end beskrevet i regelsættet, skal der anføres en særskilt begrundelse herfor. 2

3 8. Projektbeskrivelse: Permanente magneter har fascineret og inspireret mange igennem tiderne, idet en permanent magnet, på egen hånd, producerer en magnetisk kraft og fluks. Netop disse egenskaber har gjort at permanente magneter er blevet anvendt i et hav af forskellige applikationer gennem tiderne. Her kan bl.a. nævnes løfte mekanismer, højtalere, magnetiske koblinger og ikke mindst roterende elektriske maskiner som gennem de seneste snes år har gennemgået en renæssance ved anvendelse af permanente magneter, idet såvel virkningsgrad og moment tæthed er blevet forøget. Forøgelsen er specielt karakteristisk ved små elektriske maskiner. Et område hvor permanente magneter ikke har vundet den store udbredelse er til gearings formål, hvis man vel og mærke ser bort fra magnetiske koblinger der kan karakteriseres som et gear med et omsætningsforhold på 1. I øjne faldende er at se en magnetisk kobling sammen med en standard elektrisk maskine hvor volumen for koblingen er signifikant mindre end maskinen selvom begge enheder overfører det samme moment. En af de første publikationer omkring magnet gear kan spores tilbage til 1940, hvor der er udtaget et amerikansk patent. I patentet beskrives et magnetisk gear bestående af to skiver med forskellige diametre og antal magneter - nøjagtig ligesom et almindeligt tandhjuls gear med forskellige antal tænder på de to skiver. I 1940 eksisterede der kun ferrit magneter, hvis kraft/moment per volumen enhed er mindre1/10 af hvad der opnås med moderne NdFeB magneter, hvis oprindelse kan dateres tilbage I 1980 erne. Ligeledes havde gearet en ringe udnyttelse af det magnetiske materiale, idet der ideelt set kun er to magneter der er aktive ligesom to tænder på det klassiske tandhjuls gear. Disse to ulemper må karakteriseres som meget hæmmende for den videre udvikling og frem til i dag har det kun været muligt at finde omkring en snes publikationer omhandlende magnetiske gear. Største parten af disse er publikationer er fra forfattere der har lavet beregnings metoder til magnetiske koblinger og blot koger suppe ved at overføre beregningsmetoderne til det simple magnetiske gear. Der er dog en publikation fra 2001, publiceret af meget anerkendte forskere, hvor der brydes med den simple magnetiske gear type og der forslås en ny type, hvis virkemåde er sammenlignelig med moderne mekaniske gear-typer så som cyclo og planet gear. I 2001 artiklen laves der en magnetisk finite element beregning på moment-volumen tætheden, der er størrelses orden 100kN/m 3 altså en faktor 10 større end volumen tætheden på standard elektriske maskiner. Der er dog ingen prototyper og ej heller beregninger på virkningsgrader. Virkningsgraden kan dog forventes af være meget høj. I en standard elektrisk maskine er der primært både kobber og jern tab og virkningsgraden er typisk større end 80 % for maskiner større end 1 kw. I magnet gearet vil der primært kun vil være jern-tab og da der kun anvendes 10 gange så lidt materiale må virkningsgraden forventes at være langt oppe I 90 erne. Ud over en forventet høj virkningsgrad og dermed energi besparelse vil magnet gearet have følgende fordele frem for et mekanisk gear. Ingen mekanisk udmattelse. Ingen smøring (og dermed miljø fordele). Overbelastnings beskyttet. Ingen mekaniske kontakt tab. Højt moment volumen forhold (10 gange så højt som standard motorer, og sammenlignelig med mekaniske gear) 3

4 Af umiddelbare ulemper kan nævnes Utraditionel konstruktion. Magneter stadig dyre men har ikke en afskrækkende pris ( kr/kg for NdfeB). Kun periferisk behandlet i faglitteraturen. Som det overfor er redegjort for, er der et stort uudforsket område med et meget stort potentiale. Ideen I dette projekt, som ønskes opbygget som et Ph.D projekt, er således at genere mere viden på området, hvor der I det ansøgte projektet skal der bidrages med følgende punkter. State of the art (topologi-studier) Idet området er meget uudforsket er det oplagt fokusere på at udvikle nye optimerede typer/topologier. Bl.a. bør der være meget inspiration at hente i gear-verden (planet, cyclo, epicyclic, harmonic drive etc.) og i den elektrisk maskine verden (aksial-, radial-, transversal maskiner etc.). Det vurderes at der er rige muligheder for patenterbare topologier på området. Analytiske og numeriske beregnings modeller (software) Et vigtigt element til udbredelse af den nye gear teknologi vil være at skabe et beregnings værktøj baseret på såvel analytiske og numeriske beregnings metoder. Et bruger venligt beregnings program skal udvikles således det forholdsvis bliver nemt at designe et optimeret magnetisk gear til en specifik applikation. Output fra softwaren skal være data så som dimensioner, ydelse, virkningsgrader, materialer etc. Konstruktions analyser For at kunne producere/konstruere det magnetiske gear er det vigtigt at have analyseret hvorledes gearet kan konstrueres og opbygges rent mekanisk. Overvejelser og beregninger på den mekaniske konstruktion skal udføres. Dimensionering og realisering af praktiske forsøgsmodeller Det måske vigtigste element i projektet er at ende op med nogle succesfulde forsøgs modeller (to stk.). Det vurderes at der World wide pt. ikke eksisterer nogle forsøg modeller med høj effektive magnetiske gear, hvorfor det blot i sig selv vil have en stor nyheds værdi. Test og validering af udviklet beregnings software De realiserede forsøgsmodellers performance skal kortlægges i praksis og bruges til at validere og fin-tune design softwaren. De opnåede test resultater skal også anvendes til at sammenligning med konventionelle høj moment ydende drivsystemer, så som gear motorer og mange polede direkte drevne el-motorer. Integration med motor/generator og (effekt-) elektronik En generel trend der ses i dag er at motor, gear og elektronik bliver mere og mere integreret i en enkelt enhed. Det magnetiske gear vil unægtelig give nye muligheder for integration og et del mål med projektet vil derfor være at analysere forskellige muligheder for integration med den nye teknologi. 4

5 9. Projektets relevans: Der ingen tvivl om at projekt har et stort potentiale, hvis nuværende viden holder vand. Med de I projektet udviklede værktøjer bør det være muligt hurtig at teste og evt. Implementere teknologien til hav af (el forbrugende) applikationer. Her kan bl.a. nævnes industrielle gear motorer, Vindmøller (el producerede), elektrisk traktion (Gaffeltrucks etc.) osv. Endvidere kan den nye gear teknologi også være interessant i applikationer hvor der anvendes forbrændings motorer og dermed give en miljø-fordel. Rent teknisk indeholder projekt mange udfordringer idet stort alle emner der berøres vil have en nyhedsværdi. Ligeledes kan teknologien betragtes som seriøst alternativ til direkte drevne elektriske maskiner idet energiomformningen stadig vil være elektro-magnetisk. F.eks. har ansøgeren lavet overslags beregninger på et magnetisk gear med samme moment ydelse som direkte drevne vindmølle generator fremstillet i ENS 51171/ PMG kw). Overslag beregningerne viste generatoren havde en volumen 5 gange større end det magnetiske gear og at der i generatoren skulle bruges dobbelt så meget magnetisk materiale som i det magnetiske gear. En anden klar ulempe ved direkte drevne (mange polede) motorer er en lav effekt-faktor, hvilket i mange tilfælde kræver en effektelektronisk omformer med den dobbelte rating i forhold til standard motor og gear. Det magnetiske gear kan også åbne muligheder for hvorledes motorer generelt laves i fremtiden. F.eks. kunne det forstilles at motorer designes til høj hastighed og at der anvendes et magnetisk gear til at få hastigheden ned på de typiske rpm. En højhastigheds motor er typisk karakteriseret med en lille volumen (høj effekt per volumen enhed) og en høj virkningsgrad. Herved er der skabt en mulighed for kompakt og energi-effektiv elektrisk maskine. Det vil være useriøst og kvantificere de økonomiske og miljømæssige aspekter med det magnetisk gear idet teknologien stort set er uudforsket. Ideen med projekt er netop at genere mere viden omkring teknologien således de økonomiske og miljømæssige perspektiver bedre kan vurderes. Ligeledes vil kan det være svært at se at projektet p.t. er af kommerciel karakter idet viden omkring teknologien er minimal. Men mere viden og specielt patenterbare løsninger kan på sigt gøre projektet kommercielt. Ligeledes kan softwaren udviklet i projektet tænkes på sigt blive gjort kommerciel. 5

6 10. Værtsorganisationens F&U-strategi inden for området: Institut for Energiteknik (IET) på Aalborg Universitet udfører forskning, udvikling og undervisning inden for energiomsættende maskiner og systemer. Området er inden for de sidste år styrket med området Elektro-mekanisk System Design (EMSD). Der er således opnået en synergieffekt med de eksisterende stærke miljøer indenfor instituttet, specielt inden for området elektriske maskiner, således Instituttet dækker hele Motion Control området. Instituttet er således fagligt opdelt på seks sektioner, der hver har samarbejde med erhvervsvirksomheder, offentlige institutioner og universiteter i ind- og udland. De seks sektioner er henholdsvis Sektionen for Elektriske Forsyningssystemer Sektionen for Termiske Energisystemer Sektionen for Effektelektroniske Systemer Sektionen for Fluidmekanik og forbrændingsteknik Sektionen for Elektriske Maskiner Sektionen for Hydraulik og Mekatroniske Systemer Til vejleder opgaven for Ph.D projektet anvendes der en hovedvejleder (Peter Omand Rasmussen) fra sektionen for elektriske maskiner og en bi-vejleder (Torben Ole Andersen) fra sektionen for Hydraulik og Mekatroniske systemer. Forskningen inden for sektion for elektriske maskiner er primært koncentreret om udvikling af design- og simuleringsværktøjer til moderne elektronisk styrede el-motorer. I de seneste år har afdelingen kraftigt fokuseret på Swictched Reluktans maskinen samt permanent magnet motorer. Sektionen har været involveret i udvikling af maskiner og know-how til en mængde af forskellige applikationer, eksempelvis direkte drevne hjul-motorer, motorer til hydraulik pumper, kompressorer, støvsuger etc. Forskningen inden for Hydraulik- og Mekatronikområdet er med fokus på det systemmæssige aspekt i forbindelse med såvel hydrauliske, mekaniske og elektriske systemer og aktuatorer. Et elektro-mekanisk produkt involverer typisk en mekanisk struktur, aktuatorer (elektriske/hydrauliske), og et styringssystem. For at få et optimalt system, energi- og performancemæssigt, kræver det at man betragter hele systemet under ét. Anvendelsen af elektronik og software indenfor hydraulik indebærer store fordele (fleksibilitet og øget performance) sammenlignet med traditionelle hydraulisk/mekanisk løsninger, men medfører også en øget designkompleksitet gennem det multidiciplinære aspekt (regulering, hydraulik, real-time software, elektronik, mekanisk design, sensorer og aktuatorer). Ved at lægge funktioner og variantskabelse i software er målet at gøre den mekaniske konstruktion så simpel som mulig, uden at sætte funktionalitet og regulerbarhed over styr. Da projektet er en satsning på en ny teknologi indenfor instituttets kerne forsknings områder er der ikke projekter med direkte relevans. Dog har de fleste projekter indenfor elektriske maskiner en eller anden form relevans idet såvel beregnings metoder, software og udviklende testsystemer fra disse projekt vil kunne inddrages i projektet. Gennemførte projekter med mindre relevans er således. 6

7 Rasmussen, Claus Bjerregaard; 'Optimisation of Electric Motor for Refrigerator Compressors', PhD Thesis, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. Defended pages. ISBN Deltagere : IET, DTU/LfK, CETEC E/F, Danfoss A/S, Gram. Delvis finansieret af Energistyrelsen. Fra projekt kan der hentes viden omkring beregnings metoder til PM motorer Sandholdt, Per, 'Modelling and test of electrical drive systems', PhD Project, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. Defended pages. ISBN I projektet er der konstrueret et praktisk test system til roterende elektriske maskiner som kan anvendes til test af de magnetiske gear. Post, Rasmus, 'Modelling of Iron Loss in Electrical Machines supplied by Commutating Power Electronics Apparatus', PhD Project, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. Deltagere IET, Danfoss A/S, Grundfos A/S. I projektet er der udviklet modeller til jerntabs beregninger som kan anvendes til det magnetiske gear. Peter Omand Rasmussen, Design and Advanced Control of Switched Reluctance Motors, PhD project, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. Defended pages. ISBN Deltagere IET, Danfoss A/S, CETEC E/F, Nilfisk A/S, Thrige Electric A/S. Delvis finansieret af Energistyrelsen EFP I projektet er de konstrueret et stationært testsystem til elektriske maskiner som kan anvendes til test af magnetgearet. Ligeledes er der lavet software til dimensionering af switched reluktans maskiner som der kan tages udgangspunkt i til udviklingen af softwaren til det magnetiske gear. Nuværende projekter med mindre relevans Ana-Mari Tataru, "Shark-A new Concept for Energy Saving", PhD project, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. Deltagere IET, Danfoss A/S, Grundfos A/S. Delvis finansieret af Energistyrelsen EFP I projektet kan der hentes information omkring 2D Finite element beregninger. Ligeledes kan der hentes inspiration til Topologier af magnetiske gear. Kaiyuan Lu, "Design Study for Controllable Electric Motor for Three Wheel Drive, In Wheel Mounting on Professional, Electric, Lawn Mower", PhD project, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. Deltagere IET, Sauer Danfoss A/S. Fra projektet kander hentes topologi inspiration samt know-how til 3D finite element beregninger. Ligeledes er der forsøgsmodeller af en direkte dreven elektrisk maskine som evt. kan bruges til sammenligning. 7

8 11. Arbejdsfordeling og projektledelse: Projektet ønskes realiseret som et Ph.D projekt i samarbejde med en eller flere virksomheder. Det har dog ikke været mulig pga. den korte ansøgnings varsel at få etableret kontakt med evt. interesserede virksomheder. Instituttet vil derfor selv bidrage med ca. 1/3 af finansieringen, hvis det ikke lykkes af skabe kontant til evt. interesserede virksomheder. Hvis det lykkes af skabe kontakt til (en) virksomhed(er) vil forsøgs modellerne blive fokuseret til virksomhedens applikationer ellers vil der blive lavet to mindre forsøgsmodeller der kan sammenlignes med en standard gearmotor. Til projekt vil der blive en styre gruppe (med personer fra instituttet og evt. virksomheder) der holder møde med den Ph.D studerende hver 3 måned. Her foreligger der kvartals rapporter fra den Ph.D studerende. Arbejdet i projektet vil primært blive udført af den Ph.D studerende med ugentlig assistance fra hoved vejlederen. 12. Plan for formidling og udnyttelse af projektets resultater: Projektets resultater vil blive formidlet via nationale og internationale artikler. Ligeledes vil der være en Ph.D rapport som offentlig skal forsvares. 8

9 13. Omfang af offentliggørelse: Alle resultater i projektet ønskes offentlig tilgængelig. Hvis det skabes en stor interesse omkring projektet kan det dog være fordelagtig at kommercialisere den udviklende software til beregning de magnetiske gear. Det er ikke usædvanligt at speciel software til beregning af elektriske maskiner koster kr. I tilfælde af nye topologier, beskyttes disse med patenter og med en deraf følgende forsinket offentliggørelse. 14. Budget Nedenstående skema udfyldes af den projektansvarlige for det totale projekt og for hver deltagende organisation i projektet. Budget totalt eller for hver deltager: Budget, beløb i DKK Omkostningsart År 2002 År 2003 År 2004 År 2005 Total Lønomkostninger (Spec. i bilag 1) Apparater, udstyr, materialer Eksterne ydelser Rejse- og opholdsudgifter Andet Sum pr. år/total Eventuelle indtægter og restanlægsværdi ved projektafslutning Sum netto 1804 Bilag til punkt 14 budget vedlægges som bilag. 15. Anvisningsoplysninger: Pengeinstitut, navn: Spar Nord Bank Adresse: Hadsundvej 20, 9000 Aalborg Reg.nr.: 9190 Kontonr.: SWIFT code SPNODK22 9

10 16. Projektplan: - State of the art analyse (topologi-studier) - Analytiske og numeriske beregnings modeller (software) - Konstruktions analyser - Dimensionering og realisering af praktiske forsøgsmodeller - Test og validering af udviklet beregnings software - Integration med motor/generator og (effekt-) elektronik - Slutrapport 17. Tidsplan År 2002 År 2003 År 2004 År 2005 Startdato: 6/ Slutdato: 6/ Aktiviteter/milepæle/betaling 1 State of the art analyse --- * (topologi-studier) 2 Analytiske og numeriske * beregnings modeller (software) 3 Konstruktions analyser --* 4 Dimensionering og --- * realisering af praktiske forsøgsmodeller 5 Test og validering af -- --* udviklet beregnings software 6 Integration med motor/generator og (effekt-) elektronik 7 Slutrapport --- -* * --- Aktivitetens varighed Milepæl Betaling 10

11 Budgetspecifikation af lønomkostninger til afsnit 14 for Medarbejderkategori Forsker/projektleder Timer Kostpris kr./time Omkostnings tillæg kr./time Totalpris kr./time Totalpris kr./time Ph.d.-studerende ,47 38,09 228, VIP TAP Total Ingeniører Total Teknisk/administrativt personale Total Andre kategorier Total Projektsum