Den nya motorn designad och byggd av teamet på UNSW är en förbättring av befintliga IPMSMs (Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Motor), som huvudsakligen används för drivning av elfordon. Kredit:Dr Guoyo Chu
UNSW-ingenjörer har byggt en ny höghastighetsmotor som har potential att öka räckvidden för elfordon.
Designen av prototypen av IPMSM-motorn inspirerades av formen på den längsta järnvägsbron i Sydkorea och har uppnått hastigheter på 100 000 varv per minut.
Den maximala kraften och hastigheten som uppnåtts av denna nya motor har framgångsrikt överträffat och fördubblat det befintliga höghastighetsrekordet för laminerade IPMSMs (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), vilket gör den till världens snabbaste IPMSM som någonsin byggts med kommersialiserade lamineringsmaterial.
Viktigast av allt är att motorn kan producera en mycket hög effekttäthet, vilket är fördelaktigt för elbilar när det gäller att minska totalvikten och därmed öka räckvidden för varje given laddning.
Den nya tekniken, som utvecklats av ett team som leds av docent Rukmi Dutta och Dr. Guoyu Chu från UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunications, är en förbättring av befintliga IPMSM:er, som huvudsakligen används för drivning av elfordon.
En motor av IPMSM-typ har magneter inbäddade i sina rotorer för att skapa ett starkt vridmoment för ett utökat varvtalsområde. Men befintliga IPMSMs lider av låg mekanisk hållfasthet på grund av tunna järnbryggor i deras rotorer, vilket begränsar deras maximala hastighet.
Men UNSW-teamet har patenterat en ny rotortopologi som avsevärt förbättrar robustheten, samtidigt som den minskar mängden sällsynta jordartsmetaller per enhet kraftproduktion.
Överbrygga framtiden
Den nya designen är baserad på de tekniska egenskaperna hos Gyopo-järnvägsbron, en dubbelbunden bågstruktur i Sydkorea, samt en sammansatt kurvabaserad mekanisk spänningsfördelningsteknik.
Designen av den nya IPMSM-motorn hämtade sin inspiration från den dubbelbundna bågjärnsbron i Gyopo, Sydkorea. Kredit:Dr Guoyo Chu
Och motorns imponerande effekttäthet ger potentiellt förbättrad prestanda för elfordon där vikten är extremt viktig.
"En av trenderna för elfordon är att de har motorer som roterar i högre hastigheter", säger Dr. Chu.
"Varje elbilstillverkare försöker utveckla höghastighetsmotorer och anledningen är att fysikens natur gör att du kan krympa storleken på den maskinen. Och med en mindre maskin väger den mindre och förbrukar mindre energi och därför som ger fordonet längre räckvidd.
"Med det här forskningsprojektet har vi försökt uppnå den absoluta maximala hastigheten, och vi har registrerat över 100 000 varv per minut och toppeffekttätheten är runt 7kW per kilogram.
"För en elfordonsmotor skulle vi faktiskt sänka hastigheten något, men det ökar också dess effekt. Vi kan skala och optimera för att ge effekt och hastighet i ett givet område, till exempel en 200 kW motor med en maximal hastighet på cirka 18 000 rpm som perfekt passar EV-applikationer.
"Om en elbilstillverkare, som Tesla, ville använda den här motorn så tror jag att det bara skulle ta cirka sex till 12 månader att modifiera den baserat på deras specifikationer.
"Vi har vårt eget mjukvarupaket för maskindesign där vi kan mata in kraven på hastighet eller effekttäthet och köra systemet i ett par veckor och det ger oss den optimala designen som tillfredsställer dessa behov."
Den nya IPMSM-prototypmotorn utvecklades med hjälp av UNSW-teamets alldeles egna AI-assisterade optimeringsprogram som utvärderade en serie konstruktioner för en rad olika fysiska aspekter – nämligen elektriska, magnetiska, mekaniska och termiska.
Programmet utvärderar 90 potentiella design, väljer sedan de bästa 50 procenten av alternativen för att generera ett nytt utbud av design och så vidare, tills det optimala uppnås. Den sista motorn är den 120:e generationen som analyseras av programmet.
Förutom elfordon har motorn många andra potentiella tillämpningar. Ett av dem är stora värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC) som kräver höghastighetskompressorer för att använda en ny form av köldmedium som avsevärt minskar påverkan på den globala uppvärmningen.
Den kan också användas i högprecisions CNC-maskiner som efterfrågas mycket av flyg- och robotindustrin. UNSW:s höghastighetsmotorteknik kan tillåta sådana högprecisions-CNC-maskiner att fräsa eller borra med minimala diametrar.
En annan applikation är som en IDG (Integrated Drive Generator) inuti en flygplansmotor för att tillhandahålla elektrisk kraft till flygplanssystem.
UNSW-teamets nya motor erbjuder också en betydande kostnadsfördel jämfört med befintlig teknik och använder mindre sällsynta jordartsmetaller som neodym.
"De flesta höghastighetsmotorer använder en hylsa för att stärka rotorerna och den hylsan är vanligtvis gjord av högkostnadsmaterial som titan eller kolfiber. Själva hylsan är väldigt dyr och behöver också vara exakt monterad och det ökar tillverkningskostnaden av motorn", säger Dr. Chu.
"Våra rotorer har mycket god mekanisk robusthet, så vi behöver inte den hylsan, vilket minskar tillverkningskostnaden. Och vi använder bara cirka 30 % av sällsynta jordartsmetaller, vilket inkluderar en stor minskning av materialkostnaden - vilket gör vår höga -prestandamotorer mer miljövänliga och prisvärda." + Utforska vidare
