Permanent Magnet Vernier Machine: A Review

Permanent magnet vernier machines (PMVMs) gained a lot of interest over the past couple of decades. This is mainly due to their high torque density enabled by the magnetic gearing effect. This study will provide a thorough review of recent advances in PMVMs. This review will cover the principle of operation and nature of magnetic gearing in PMVMs, and a better understanding of novel PMVM topologies using different winding configuration as well as different modulation poles and rotor structures. Detailed discussions on the choice of gear ratio, slot-pole combinations, design optimisation and role of advanced materials in PMVMs will be presented. This will provide an update on the current state-of-the art as well as future areas of research. Furthermore, the power factor issue, fault tolerance as well as cost reduction will be discussed highlighting the gap between the current state-of-the art and what is needed in practical applications

Development of a 32 Inch Diameter Levitated Ducted Fan Conceptual Design

The NASA John H. Glenn Research Center has developed a revolutionary 32 in. diameter Levitated Ducted Fan (LDF) conceptual design. The objective of this work is to develop a viable non-contact propulsion system utilizing Halbach arrays for all-electric flight, and many other applications. This concept will help to reduce harmful emissions, reduce the Nation s dependence on fossil fuels, and mitigate many of the concerns and limitations encountered in conventional aircraft propulsors. The physical layout consists of a ducted fan drum rotor with blades attached at the outer diameter and supported by a stress tuner ring at the inner diameter. The rotor is contained within a stator. This concept exploits the unique physical dimensions and large available surface area to optimize a custom, integrated, electromagnetic system that provides both the levitation and propulsion functions. The rotor is driven by modulated electromagnetic fields between the rotor and the stator. When set in motion, the time varying magnetic fields interact with passive coils in the stator assembly to produce repulsive forces between the stator and the rotor providing magnetic suspension. LDF can provide significant improvements in aviation efficiency, reliability, and safety, and has potential application in ultra-efficient motors, computers, and space power systems

Performance analysis of electric drives using slotless motors

La tesi descrive le principali criticità nel controllo di macchine elettriche di tipo 'slotless'; con particolare riguardo alle prestazione della macchina stessa in relazione alle tecniche di controllo utilizzate (SVM o controllo trapezoidal e)

Multi-level-objective design optimization of permanent magnet synchronous wind generator and solar photovoltaic system for an urban environment application

This Ph.D. thesis illustrates a novel study on the analytical and numerical design optimization of radial-flux permanent magnet synchronous wind generators (PMSGs) for small power generation in an urban area, in which an outer rotor topology with a closed-slot stator is employed. The electromagnetic advantages of a double-layer fractional concentration non-overlapping winding configuration are discussed. The analytical behavior of a PMSG is studied in detail; especially for magnetic flux density distribution, time and space harmonics, flux linkages, back-EMF, cogging torque, torque, output power, efficiency, and iron losses computation. The electromagnetic behavior of PMSGs are evaluated when a number of various Halbach array magnetization topologies are presented to maximize the generator’s performance. In addition, the thermal behavior of the PMSG is improved using an innovative natural air-cooling system for rated speed and higher to decrease the machine’s heat mainly at the stator teeth. The analytical investigation is verified via 2-D and 3-D finite element analysis along with a good experimental agreement. Design optimization of electrical machines plays the deterministic role in performance improvements such as the magnetization pattern, output power, and efficiency maximization, as well as losses and material cost minimization. This dissertation proposes a novel multi-objective design optimization technique using a dual-level response surface methodology (D-RSM) and Booth’s algorithm (coupled to a memetic algorithm known as simulated annealing) to maximize the output power and minimize material cost through sizing optimization. Additionally, the efficiency maximization by D-RSM is investigated while the PMSG and drive system are on duty as the whole. It is shown that a better fit is available when utilizing modern design functions such as mixed-resolution central composite (MR-CCD) and mixed-resolution robust (MR-RD), due to controllable and uncontrollable design treatments, and also a Window-Zoom-in approach. The proposed design optimization was verified by an experimental investigation. Additionally, there are several novel studies on vibro-acoustic design optimization of the PMSGs with considering variable speed analysis and natural frequencies using two techniques to minimize the magnetic noise and vibrations. Photovoltaic system design optimization considered of 3-D modeling of an innovative application-oriented urban environment structure, a smart tree for small power generation. The horizon shading is modeled as a broken line superimposed onto the sun path diagram, which can hold any number of height/azimuth points in this original study. The horizon profile is designed for a specific location on the Barcelona coast in Spain and the meteorological data regarding the location of the project was also considered. Furthermore, the input weather data is observed and stored for the whole year (in 2016). These data include, ambient temperature, module’s temperature (open and closed circuits tests), and shading average rate. A novel Pareto-based 3-D analysis was used to identify complete and partial shading of the photovoltaic system. A significant parameter for a photovoltaic (PV) module operation is the nominal operating cell temperature (NOCT). In this research, a glass/glass module has been referenced to the environment based on IEC61215 via a closed-circuit and a resistive load to ensure the module operates at the maximum power point. The proposed technique in this comparative study attempts to minimize the losses in a certain area with improved output energy without compromising the overall efficiency of the system. A Maximum Power Point Track (MPPT) controller is enhanced by utilizing an advanced perturb & observe (P&O) algorithm to maintain the PV operating point at its maximum output under different temperatures and insolation. The most cost-effective design of the PV module is achieved via optimizing installation parameters such as tilt angle, pitch, and shading to improve the energy yield. The variation of un-replicated factorials using a Window-Zoom-in approach is examined to determine the parameter settings and to check the suitability of the design. An experimental investigation was carried out to verify the 3-D shading analysis and NOCT technique for an open-circuit and grid-connected PV module.Esta tesis muestra un novedoso estudio referente al diseño optimizado de forma analítica y numérica de un generador síncrono de imanes permanentes (PMSGs) para una aplicación de microgeneración eólica en un entorno urbano, donde se ha escogido una topología de rotor exterior con un estator de ranuras cerradas. Las ventajas electromagnéticas de los arrollamientos fraccionarios de doble capa, con bobinas concentradas se discuten ampliamente en la parte inicial del diseño del mismo, así como las características de distribución de la inducción, los armónicos espaciales y temporales, la fem generada, el par de cogging así como las características de salida (par, potencia generada, la eficiencia y la distribución y cálculo de las pérdidas en el hierro que son analizadas detalladamente) Posteriormente se evalúan diferentes configuraciones de estructuras de imanes con magnetización Halbach con el fin de maximizar las prestaciones del generador. Adicionalmente se analiza la distribución de temperaturas y su mejora mediante el uso de un novedoso diseño mediante el uso de ventilación natural para velocidades próximas a la nominal y superiores con el fin de disminuir la temperatura de la máquina, principalmente en el diente estatórico. El cálculo analítico se completa mediante simulaciones 2D y 3D utilizando el método de los elementos finitos así como mediante diversas experiencias que validan los modelos y aproximaciones realizadas. Posteriormente se desarrollan algoritmos de optimización aplicados a variables tales como el tipo de magnetización, la potencia de salida, la eficiencia así como la minimización de las pérdidas y el coste de los materiales empleados. En la tesis se proponen un nuevo diseño optimizado basado en una metodología multinivel usando la metodología de superficie de respuesta (D-RSM) y un algoritmo de Booth (maximizando la potencia de salida y minimizando el coste de material empleado) Adicionalmente se investiga la maximización de la eficiencia del generador trabajando conjuntamente con el circuito de salida acoplado. El algoritmo utilizado queda validado mediante la experimentación desarrollada conjuntamente con el mismo. Adicionalmente, se han realizado diversos estudios vibroacústicos trabajando a velocidad variable usando dos técnicas diferentes para reducir el ruido generado y las vibraciones producidas. Posteriormente se considera un sistema fotovoltaico orientado a aplicaciones urbanas que hemos llamado “Smart tree for small power generation” y que consiste en un poste con un generador eólico en la parte superior juntamente con uno o más paneles fotovoltaicos. Este sistema se ha modelado usando metodologías en 3D. Se ha considerado el efecto de las sombras proyectadas por los diversos elementos usando datos meteorológicos y de irradiación solar de la propia ciudad de Barcelona. Usando una metodología basada en un análisis 3D y Pareto se consigue identificar completamente el sistema fotovoltaico; para este sistema se considera la temperatura de la célula fotovoltaica y la carga conectada con el fin de generar un algoritmo de control que permita obtener el punto de trabajo de máxima potencia (MPPT) comprobándose posteriormente el funcionamiento del algoritmo para diversas situaciones de funcionamiento del sistemaLa tesis desenvolupa un nou estudi per al disseny optimitzat, analític i numèric, d’un generador síncron d’imants permanents (PMSGs) per a una aplicació de microgeneració eòlica en aplicacions urbanes, on s’ha escollit una configuració amb rotor exterior i estator amb ranures tancades. Es discuteixen de forma extensa els avantatges electromagnètics dels bobinats fraccionaris de doble capa així com les característiques resultats vers la distribució de les induccions, els harmònics espacials i temporals, la fem generada, el parell de cogging i les característiques de sortida (parell, potencia, eficiència i pèrdues) Tanmateix s’afegeix l’estudi de diferents estructures Halbach per als imants permanents a fi i efecte de maximitzar les característiques del generador. Tot seguit s’analitza la distribució de temperatures i la seva reducció mitjançant la utilització d’una nova metodologia basada en la ventilació natural. Els càlculs analítics es complementen mitjançant anàlisi en 2 i 3 dimensions utilitzant elements finits i diverses experiències que validen els models i aproximacions emprades. Una vegada fixada la geometria inicial es desenvolupen algoritmes d’optimització per a diverses variables (tipus de magnetització dels imants, potencia de sortida, eficiència, minimització de pèrdues i cost dels materials) La tesi planteja una optimització multinivell emprant la metodologia de superfície de resposta i un algoritme de Booth; a més, es realitza la optimització considerant el circuit de sortida. L’algoritme resta validat per la experimentació realitzada. Finalment, s’han considerat diversos estudis vibroacústic treballant a velocitat variable, emprant dues tècniques diferents per a reduir el soroll i les vibracions desenvolupades. Per a finalitzar l’estudi es considera un sistema format per una turbina eòlica instal·lada sobre un pal de llum autònom, els panells fotovoltaics corresponents i el sistema de càrrega. Per a modelitzar l’efecte de l’ombrejat s’ha emprat un model en 3D i les dades del temps i d’irradiació solar de la ciutat de Barcelona. El model s’ha identificat completament i s’ha generat un algoritme de control que considera, a més, l’efecte de la temperatura de la cèl·lula fotovoltaica y la càrrega connectada al sistema per tal d’aconseguir el seguiment del punt de màxima potenciaPostprint (published version

Electromagnetic-based evaluation of different Halbach array topologies with gap consideration for the permanent magnet synchronous machines

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Design of superconducting AC machines for hybrid-electric aircraft

Die Luftfahrtindustrie steht vor großen Herausforderungen. Die wachsende Anzahl an Passagieren bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen erfordert die Entwicklung ökologisch und ökonomisch nachhaltiger Antriebssysteme. Die Elektrifizierung des Antriebssystems bietet aufgrund neuartiger variabler Konzepte, wie hybrid-elektrische oder verteilte Antriebe, Vorteile, diese Ziele zu erreichen. Infolge der mehrfachen Energiewandlung muss ein solches Antriebssystem hocheffizient sein, um im Vergleich zu einem konventionellen Triebwerk einen Vorteil im Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Weiterhin ist ein deutlich reduziertes Gewicht erforderlich, um das Leistungsgewicht konventioneller Triebwerke zu erlangen. Modernste elektrische Maschinen erreichen diese Ziele aufgrund ihrer thermischen und magnetischen Beschränkungen nicht. Mit Supraleitern können diese Grenzen überwunden werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe Stromtragfähigkeit und einen vernachlässigbaren DC Widerstand aus. In dieser Arbeit werden supraleitende AC Maschinen, welche Teil eines kryogenen hybrid-elektrischen Antriebssystems sind, untersucht. Dazu wird ein detaillierter Prozess zum Auslegen einer solchen Maschine entwickelt, der die Wechselwirkungen zwischen Elektromagnetik und Thermik des Supraleiters berücksichtigt. Es werden die technischen Bereiche Supraleitung, elektrische Maschine und Flugzeug unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Anforderungen in einem Tool zusammengefasst, um gegenseitige Abhängigkeiten zu betrachten. Die Untersuchung mehrerer Maschinentopologien, welche auf synchronen Radialflussmaschinen basieren, eröffnet einen großen Lösungsraum und erfordert schnelle ganzheitliche analytische Lösungsansätze. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Modellierung von supraleitenden Statorspulen auf der Basis von Magnesiumdiborid (MgB$_2$), die von magnetischen Wechselfeldern durchsetzt werden. Dazu wird ein Draht aus MgB$_2$ mit 114 Filamenten charakterisiert und der Einfluss seiner AC Verluste auf die Stromtragfähigkeit in die Maschinenauslegung integriert. Darüber hinaus wird eine zweiphasige Wasserstoffkühlung für MgB$_2$-Spulen implementiert, die es ermöglicht, den Wasserstoffverbrauch der Maschine zu bestimmen. Die Auslegung wird in das analytische elektro-thermische Modell und das elektromagnetische Modell unterteilt. Die zweidimensionale Berechnung der magnetischen Flussdichte erfolgt mit hoher Rechengenauigkeit in allen Maschinenbereichen und wird mit der Finite-Elemente-Methode verglichen. Dadurch lassen sich die feldsensitiven AC Verluste der Statorspulen bestimmen. Die mechanisch und thermisch unterstützenden Strukturen innerhalb des magnetischen Luftspalts werden an die Maschinentopologie angepasst und ausgelegt. Dabei werden sowohl die Aktivmasse als auch die Passivmasse diverser struktureller Komponenten berechnet. Um das Potential von voll und teilweise supraleitenden Maschinen zu beurteilen, wird eine $21.6 \,$MW Maschine ausgelegt, die das Kerntriebwerk ersetzt und den konventionellen Fan eines Airbus A321neo-LR Triebwerks direkt antreibt. Diese Maschinentopologien, die sowohl auf supraleitenden als auch auf normalleitenden Spulen und Magneten basieren, werden miteinander verglichen, indem die Anzahl der Polpaare, der Durchmesser der Maschine sowie die Spulen- und Magnetdicke optimiert werden. Dazu gehört auch die Auslegung eines Tanks für Flüssigwasserstoff, der vier Mal in den Rumpf integriert ist und pro Tank $280 \,$kg Flüssigwasserstoff speichert. Des Weiteren wird die Reichweite dieses Flugzeugs, unter Beachtung einer spezifischen Flugmission, für eine Auswahl von optimierten Maschinen berechnet. Eine optimierte Regelstrategie des Rotor- und Statorstromes ermöglicht die Reduzierung der AC Verluste in den MgB$_2$-Statorspulen. Es wird gezeigt, dass die Stromdichte einer MgB$_2$-Statorspule bei einer Betriebstemperatur im Bereich von $20 \,$K im Vergleich zu einer konventionellen Spule auf Basis von Kupferlitzen bei $453 \,$K bis zu $18$ mal höher ist. Dies führt dazu, dass supraleitende Maschinen sowohl ein hohes Leistungsgewicht als auch geringe AC Verluste im Stator aufweisen. Die leichteste voll supraleitende Maschine, die auf MgB$_2$-Statorspulen und HTS-Rotorspulen basiert, erreicht ein maximales Leistungsgewicht von $56.8 \, \mathrm{kW \, kg^{-1}}$ und ist damit ebenfalls die leichteste Maschine aller Topologien. Die effizienteste Maschine dieser Topologie erreicht minimale AC Verluste von $6.4 \,$kW im Stator. Teilweise supraleitende Maschinen, die aus MgB$_2$-Statorspulen und Hal-bach-Array im Rotor bestehen, erzeugen noch geringere AC Verluste von minimal $3.9 \,$kW im Stator. Diese geringen Verluste sind erforderlich, um nicht die Gewichtsbilanz des gesamten Antriebssystems durch einen großen Flüssigwasserstofftank oder einen Wärmetauscher zu belasten, wie er bei Kupferstatoren notwendig ist. Mit einem der vier Flüssigwasserstofftanks des hybridisierten Airbus A321neo-LR wird eine maximale Flugzeit von etwa $600 \,$min unter Berücksichtigung des Kühlbedarfs der Fanmotoren erreicht, welche die Reichweite dieses Flugzeuges übersteigt. Zusammenfassend lässt sich in der Maschinenauslegung feststellen, dass nach Erreichen eines minimalen Leistungsgewichtes zur Erfüllung der Anforderungen durch den limitierten Einbauraum die Optimierung der AC Verluste des Stators in den Fokus rückt. Abschließend werden unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten Designvorschläge für zwei supraleitende Maschinen erstellt, welche detaillierte Auslegungs- und Fertigungsstudien erlauben

Design of a high-speed motor-alternator for flywheele energy storage systems

Thesis (M. Eng.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1997.Includes bibliographical references (p. 149-150).by Marc J. Carlin.M.Eng

Magnetic levitation for down-hole submersible pumps

Thesis (S.M. and S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2002.Includes bibliographical references (p. 165-166).The feasibility of a magnetic levitation pump for oil well down-hole use is investigated. The design, development, and testing of a closed-loop magnetic levitation pump is presented. This includes the design of the maglev motor, system instrumentation, and mechanical components. The motor angular velocity and motor gap position are controlled with the use of a digital controller. The digital controller utilizes commutation laws for commanding current to the motor based on desired torque and levitation force. The design, simulation, and experimental testing of a proportional controller and a lead compensator for the control of motor velocity and motor gap, respectively, is also discussed. The experimental effort associated with the development of the maglev pump is described in detail. Major topics are the development of models for the system, implementation of control algorithms, and analysis of system response data. Testing verified that motor gap (levitation) and angular velocity are controlled effectively under various pumping conditions. These results prove the feasibility of a closed-loop maglev pump. The pump reached maximum speeds of 1432 RPM during testing, as limited by the motor drive amplifiers. Analysis shows that the pump is capable of reaching 3600 RPM and providing flow and pressure levels equal to conventional submersible pumps, if the current to the motor is increased by a factor of approximately 2.5. Such a current increase is possible without exceeding the thermal limits of the motor. Results show that designing and building magnetic levitation motors for down-hole applications, under the size constraints of current submersible pumps, is feasible. Furthermore, maintaining the levitation gap under pumping conditions and sudden pressure increases is possible through closed-loop control of the motor currents. This work serves as a first step to developing magnetic levitation techniques for down-hole submersible pumps. Suggestions for improvement of the maglev pump are given, and recommendations for future research are presented.by Christian Daniel Garcia.S.M.and S.B