Linear Machines for Long Stroke Applications: a review

This document reviews the current state of the art in the linear machine technology. First,the recent advancements in linear induction, switched reluctance and permanent magnet machines arepresented. The ladder slit secondary configuration is identified as an interesting configuration for linearinduction machines. In the case of switched reluctance machines, the mutually-coupled configuration hasbeen found to equate the thrust capability of conventional permanent magnet machines. The capabilities ofthe so called linear primary permanent magnet, viz. switched-flux, flux-reversal, doubly-salient and verniermachines are presented afterwards. A guide of different options to enhance several characteristics of linearmachines is also listed. A qualitative comparison of the capabilities of linear primary permanent magnetmachines is given later, where linear vernier and switched-flux machines are identified as the most interestingconfigurations for long stroke applications. In order to demonstrate the validity of the presented comparison,three machines are selected from the literature, and their capabilities are compared under the same conditionsto a conventional linear permanent magnet machine. It is found that the flux-reversal machines suffer froma very poor power factor, whereas the thrust capability of both vernier and switched-flux machines isconfirmed. However, the overload capability of these machines is found to be substantially lower than theone from the conventional machine. Finally, some different research topics are identified and suggested foreach type of machine

Linear Permanent Magnet Vernier Generators for Wave Energy Applications: Analysis, Challenges, and Opportunities

© 2022 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Harvesting energy from waves as a substantial resource of renewable energy has attracted much attention in recent years. Linear permanent magnet vernier generators (LPMVGs) have been widely adopted in wave energy applications to extract clean energy from oceans. Linear PM vernier machines perform based on the magnetic gearing effect, allowing them to offer high power/force density at low speeds. The outstanding feature of providing high power capability makes linear vernier generators more advantageous compared to linear PM synchronous counterparts used in wave energy conversion systems. Nevertheless, they inherently suffer from a poor power factor arising from their considerable leakage flux. Various structures and methods have been introduced to enhance their performance and improve their low power factor. In this work, a comparative study of different structures, distinguishable concepts, and operation principles of linear PM vernier machines is presented. Furthermore, recent advancements and innovative improvements have been investigated. They are categorized and evaluated to provide a comprehensive insight into the exploitation of linear vernier generators in wave energy extracting systems. Finally, some significant structures of linear PM vernier generators are modeled using two-dimensional finite element analysis (2D-FEA) to compare their electromagnetic characteristics and survey their performance.Peer reviewe

Development of Double-Sided Interior Permanent Magnet Flat Linear Brushless Motor and Its Control Using Linear Optical Potentiometer

A new 6/4 double-sided interior permanent-magnet (IPM) flat linear brushless motor (IPM-FLBM) and novel optical potentiometer mechanism for a linear motion-control system are presented in this dissertation. For this purpose, new detent-force-minimization methodologies for the IPMFLBM are studied on the basis of the superposition principle. The end-effect force is reduced by a new two-dimensional optimization using the step-shaped end frames. The cogging force is minimized through a destructive interference using the slot-phase shift between the upper and lower stators. A base model prototype with the detent force of only 1.5% of the maximum thrust force is developed using the electrical solid steel. Analytic modeling techniques of the base model prototype with slot-phase shift and alternate teeth windings are investigated. A variable winding function is newly developed to evaluate the inductances of the salient motor with the alternate teeth windings. The steady-state thrust force is modeled for this linear brushless AC (BLAC) motor. Their validities are demonstrated experimentally. The electromagnetic and steady-state performance analyses of a new prototype using a soft magnetic composite (SMC) material are also studied using a simplified nonlinear magnetic equivalent circuit (MEC) analysis. Its iron and copper losses are investigated in terms of the thermal limitation. The feasibility of the IPM-FLBM using the SMC material is demonstrated through the comparisons of the average steady-state thrust and ripple forces for these two prototype linear motors. A novel low-cost high-precision absolute displacement-sensing mechanism using optoelectronic components is developed. The working principle that is based on the change of the optical power that is reflected off the monotone-colored pattern track from a light emitting diode (LED) to a red-green-blue (RGB) photo diode (PD) is presented. The performance of the proposed optical potentiometer (OP) mechanism is verified by the bandwidth (BW) of 4.42 kHz and nonlinearity of 2.8% are achieved. A novel low-ripple 12-step current control scheme using a single current sensing resistor is developed using the six Hall-effect sensors for the force control of the IPMFLBM. Its performances are experimentally verified and compared with a conventional field-oriented control (FOC) scheme. In the end, the position-control loop, which includes the 12-step current control loop, double-sided IPM-FLBM, and linear optical potentiometer (LOP), is designed using a proportional controller with a lead compensator. The performances of the linear motion-control system are demonstrated through the various experiments in the time and frequency domains

Design And Implementation Of A Double-sided Coreless Linear Motor

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Lineer motor teknolojisi 1840’lara dayanmaktadır. Bilinen ilk model bir İngiliz mühendis olan Charles Wheatstone tarafından yapılmıştır, ancak bu model çok kullanışlı ve uygulanabilir olarak hatırlanmamaktadır. Elverişli ilk model, bir Alman mühendis olan Alfred Zehden tarafından 1905’te tasarlanmıştır. Bu model trenlerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Uygulamalar daha da geliştirilerek en ileri şekliyle 1935’te Herman Kemper tarafından tasarlanmıştır. Yine de herşeye rağmen lineer motorun gelişimine en çok katkıda bulunan ve mucidi olarak tanınan kişi aynı zamanda Imperial College London profösörlerinden biri olan Eric Laithwaite’dir. Günümüzde elektrik motorlarından beklentiler oldukça fazladır. Bunlardan bazıları hafiflik, kontrol edilebilirlik, doğrudan tahrik, yüksek kuvvet/moment ağırlık oranı ve düşük bakım maliyeti olarak sıralanabilir. Bu saydığımız beklentiler, lineer motorlara olan ilgiyi son zamanlarda fazlasyla arttırmıştır. Lineer motorlar üzerine yapılan çalışmalar asenkron lineer motorlarla başlamış olsa da, lineer fırçasız doğru akım makinaları kontrol edilebilirliklerin çok daha kolay olması nedeniyle asenkron motorlarlara olan bu ilgiyi ikinci plana atmayı başarmıştır. Lineer motorlar en basit yapılarıyla, dönel bir motorun yarıçapı boyunca kesilip lineer hale getirilmiş durumu olarak tanımlanabilir. Lineer motorda momentden söz edilmez ve bu büyüklük yerini kuvvete bırakır. Lineer motorlar uzunlukları boyunca kuvvet üretirler. Kısa zamanda yüksek kuvvet değerlerine çıkabilmektedirler. Aktarma elemanlarının olmaması ve yapıları gereği bunlara ihtiyaç dahi olmaması döner hareketi lineer harekete çevirirken kaybedilen enerjiyi ortadan kaldırmaktadır. Dolayısıyla motor sürücüleri için daha hassas kontrol sağlamaktadır. Sanayide çeşitli alanlarda kullanılabilirler. Başlıca uygulama alanmaları, CNC tezgahları, robotik ve otomasyon uygulamaları, füze konumlama sistemleri, gen dizimi, konveyör sistemleri, vinç sistemleri ve manyetik levitasyon olarak sıralanabilir. Lineer motor üzerine yapılan çalışmala çoğunlukla Almanya ve Japonya’da yer almaktadır. Lineer motorların bugünkü en ileri teknolojisi, Japonya‘da bir manyetik levitasyon uygulaması olan Maglev trenlerinde kullanılmaktadır. Bu tren son zamanlarda ulaştığı 600km/sa hız değeriyle dünya rekorunu kırmıştır. Geçmiş uygulamalara bakıldığında, 10 yıl öncesinde bile lineer motorlar yük altında doğrusal olarak sadece 5m/sn gibi bir hızla hareket edebiliyorlardı. Bu düşünüldüğünde Japonya’daki uygulamalar lineer motor teknolojisinde devrim yaratmıştır denilebilir. Böylece pek kullanılmamakta olan lineer motor teknolojisi yeniden dünyanın ilgisini çekmeye başlamıştır. Lineer motorlar artık günümüzde basit yapıları ve düşük maliyetleri nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak güç faktörü ve veriminin çok yüksek olmaması bir dez avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde lineer motor teknolojisinden beklentiler eskiye göre çok daha ileri düzeydedir. Lineer motor uygulamalarından en dikkat çekenleri gen dizimi, tıp elektroniği ve roket konumlandırma olarak listenebilir. Bu nedenle özellikle hassas konumlandırma, lineer motor teknolojisinde her geçen gün çok daha fazla önem kazanmaktadır. Hassas konumlandırma özellikle belli durumlarda fazlasıyla dikkat edilmesi gereken bir husustur. Özellikle çok yüksek ve çok düşük hız durumu, hızlı ivmelenme ve hızlı yatışma süresi söz konusu olduğunda ön plana çıkar ve verimliliği arttır. Bu durum düzgün hareket ve aşırı hassas ayar gerektiren mekanik ve konumlama elemanlarının başlıca araştırma konusudur. Tüm bu araştırmalar esasında motorun değişken yüke ve uygulanan kontrol sinyaline çabuk cevap verebilmesini amaçlamaktadır. Lineer motorun çalışma ilkesi Lorentz ve Faraday yasasına dayanır. Lorentz kuvvet yasası içinden akım geçirilen bir iletkenin, akıma dik olarak endüklenmiş bir manyetik alana yerleştirilmesi sonucunda bu iletkene bir kuvvet etkiyeceği ve bu kuvvetin iletkeni hareket ettirmeye çalışacağını söylemektedir. Bunun yanında bu kuvvetin iletkendeki sarım sayısı, sargı akımı ve üretilen akı ile doğru orantılı olduğu bilinmektedir. Faraday yasası ise manyetik alan içerisinde bulunan bir iletken, bu alan içerisinde belirli bir hızla haraket ettirilirse bu iletken üzerinde bir gerilim endüklendiğini söyler. Bu fikirlerden yola çıkılarak var, tez çalışmasında yeni bir lineer motor tasarlanıp üretilmiştir. Çalışmanın amacı çift yanlı, hava çekirdekli yüksek konum hassasiyetine sahip lineer bir motor tasarlamaktır. Uygulama alanları robotik ve otomasyon uygulamaları olarak belirlenmiş ve motor jenerik olarak tasarlanmıştır. Motorun yapısı gereği tasarım amacına ulaşmaktadır. Hava çekirdekli yapı düzgün harekete olanak vermektedir. Bunun nedeni hareketli parça üzerinde fazladan manyetik yük bulunmaması ve bu yükün stator sırt demiri ile manyetik etkileşime girememesidir. Bu durum daha hassas kontrol olanağı sağlar. Çift yanlı yapı motorun çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışmasını ve daha hızlı ivmelenmesini sağlar. Bu durum ise tamamen çift yanlı yapının daha homojen bir alan dağılımı oluşturmasından kaynaklanır. Tasarlanan motorun problemi ısı ve kapladığı alan olarak belirlenmiştir. Motorun önemli üç ana bölümü bulunmaktadır, bunlar; mıknatıslar, sargılar ve stator sırt demiri olarak listelenmiştir. Lineer motorda 22 kutup çifti ve 6 sargı bulunmaktadır. Tasarım ANSYS-Maxwell programında gerçekleştirilmiş, yapılan çalışmalardan sonra sonuçlar tasarıma gönderilmiştir. Çalışmanın amacı çift taraflı hava çekirdekli ve yüksek konum hassasiyetine sahip bir lineer motor tasarlamaktır. Malzeme seçimi ANSYS-Maxwell kütüphanesinden gerçekte var olan malzemelere uygun olacak biçimde yapılmıştır. Malzemeler bakır, Steel_1010 ve NdFe35 olarak seçilmiştir. Samaryum kobalt gibi NdFeB mıknatısı da nadir toprak mıknatısları arasında yer almaktadır. Bu mıknatıslar genel olarak demir, bor ve neodyum alaşımından oluşur ve kimyasal formülü Nd2Fe14B olarak yazılır. Bu tip mıknatısların koersif kuvvetleri yüksek olup tıpkı ferrit mıknatıslar gibi enine mıknatıslanmaya uygundurlar. Sargılar alüminyum yerine bakır olarak seçilmiştir. Bakırın en iyi iletken olması bu kararda önemli rol oynamıştır. Tez çalışması yüksek hassasiyette bir lineer motor tasarlamak olup, bu uygulamanın endüstride bir çok alanda kullanılmasından dolayı iç parçalar ve bağlantı parçalarının jenerik olarak üretilmesine karar verilmiştir. Toplam motor ağırlığı 10.5 kg’dır. Hafif olması nedeniyle birçok yerde kullanılabilir ve taşıma kolaylığı sayesinde istenilen yere monte edilebilir. Elektriksel tasarımı motorun manyetik analizleri ve kontrol devresinin tasarlanması oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında sadece motorun elektrik, manyetik tasarımı ve üretimi anlatılmaktadır. Öncelikle motorun mekanik hesapları yapılmış ve bu hesplara dayanılarak motorun üç boyutlu çizimi gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu çizimden sonra analitik ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak iki boyutlu elektromanyetik hesaplarla motor tasarıma hazırlanmıştır. Bunu takiben motor üretimi gerçekleştirilmiş ve motor testlerine başlanmıştır. Motor tesleri ile sonlu elemanlar analizi arasında büyük tutarlılık görülmüştür. Tezin sonunda sonuçlar ve gelecekteki çalışmalar bölümüne yer verilmiş ve bu konudaki düşünceler belirtilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemiyle motor tasarlandıktan sonra ilk olarak kuvvet hesabı el hesabı ile tekrar kontrol edilmiş ve analiz sonucu doğrulanmıştır. Ortaya çıkan ufak fark nümerik olup hata sınırları içerisinde kalmıştır. Sürücü devresi bir PWM devresi olup Maxwell Circuit Editor programında tasarlanmıştır. Motor tasarımını etkileyen faktörler giriş gerilimi, çıkış gücü ve anma hızı olarak bulunmuştur. Gerekli güç için en iyi tasarımı elde etmek doğru malzeme seçimi ve sargı optimizasyonu ile olmaktadır. Elektrik makinaları elektromekanik enerji dönüşümü yapan aygıtlardır. Elektrik enerjisi verilip mekanik enerji alınıyorsa buna motor çalışma, mekanik enerji verilip elektrik enerjisi alınıyorsa da buna jeneratör çalışma denmektedir. Elektrik makinaları iki ana başlık altında incelenebilir. Bunlar doğru akım ve alternatif akım makinaları olarak adlandırılabilir. Alternatif akım makinelerinin çalışma prensibi alternatif akımın sargılardan geçmesi ve hava aralığında döner alan oluşturması prensibine dayanır. Alternatif akım makinalarının alt dallarına bakılacak olursa senkron ve asenkron makinaları karşımıza çıkar. Senkron makinalar altında ise fırçasız doğru akım makinası bulunur. Doğru akım makinalarında ise manyetik alan doğrudan oluşur. Doğru akım makinaları komutasyon ve homopolar olarak iki ana gruba ayrılır. Komutasyon ile çalışan motorlardan biri de sabit mıknatıslı makinadır.Yani sabit mıknatıslı makinalar doğru veya alternatif akımla çalışabilir. Sabit mıknatıslı doğru akım makinaları adında doğru akım bulundursa da aslında alternatif akım makinaları altında yer almaktadırlar. Tasarlanan lineer motor fırçasız doğru akım makinası özelliklerini taşımaktadır. Endüklenen gerilimi ise sabit mıknatıslı senkron makinaya benzer. Bunun yanında lineer motorların tasarımlarına ilişkin özel sınıflandırmaları da bulunmaktadır. Örneğin, fırça tipine göre fırçalı ya da fırçasız lineer motorlar; stator şekline göre tüp şeklinde, çift yanlı ya da yassı lineer motorlar; çekirdek tipine göre ise demir çekirdekli, hava çekirdekli ve slotsu lineer motorlar olarak sıralanabilir. Tasarlanan lineer motor her grubun bir özelliğine sahip olmak üzere fırçasız, çift yanlı ve hava çekirdekli olarak bu listede yerini alır. Tasarlanan lineer motor sargıları üzerinde önemli optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuçta üretilen motordaki tasarımda 4 mıknatısın karşısında 3 sargı olacak şekilde bir düzenleme yapılmış ve bunun diğer çalışmalarla kıyaslandığında en yüksek kuvvet değerini oluşturduğu görülmüştür. Motor tasarımının her aşaması sırasında bir bilgisayar programından yararlanılmıştır. Analizler sonlu elemanlar yöntemiyle yapılmıştır ve sargılar bu yöntemle yapılan analizler sonucunda optimize edilmiştir. Yapılan tetkiklerden sonra, motor üretimi ve montajı gerçekleştirilmiştir.The history of linear motor technology can be traced back to the 1840s. The first model made by Charles Wheatstone was inefficient and impractical. The first feasible linear motor was created by a German engineer called Alfred Zehden in 1905 to drive trains and lifts. A more fundamental model was later developed by Herman Kemper in 1935. The best example of usage of linear motors today are in Maglev trains in Japan. Less than a decade ago, linear motors were only able to move 5 meters per second with straightness, load capacity and stiffness. This is a positive sign that linear motor technology is growing rapidly and is the focus of a great amount of research and development. Linear motors are widely used in the industry as they have a simple structure and their cost to produce is becoming much lower. However, linear motors have low power factor and low efficiency. Modern linear motor applications demand greater performance. The key demands of a linear motor are high acceleration, long life, low maintanence, few moving parts and precise positioning. Some of the applications include, DNA sequencing, health operations, rocket positioning etc. Therefore, precision of linear motors is becoming significantly more important. From ideas above, the study involves to produce a brand new linear motor. It has 22 pole pairs and 6 coils, designed in a FEM tool (ANSYS-Maxwell 2015®) and has since been into production. This purpose of the thesis is to demonstrate and explain the design of a high precision double-sided coreless linear motor. Materials simiar to the existing ones are chosen from ANSYS-Maxwell library. The materials are consisting of copper, NdFe35 and Steel_1010. Like Samarium Cobalt, NdFeB (Nd2Fe14B) is termed as rare earth magnet. These magnets have high coercive force and can be magnetized widthwise like a ferrite magnet. Copper windings are typically chosen over aluminum windings, even though aluminum is cheaper, copper is a better conductive material. As the application is having high precision that is applicable to many industrial areas that are listed above, it is a lot easier to design and produce the linear motor as a generic motor. The total motor weighs approximately 10.5 kg. This will be the perfect motor that can be mobile and be implemented anywhere needed. First, the electromagnetic design of the motor is performed. After the FE analysis is done using ANSYS-Maxwell software, the force value is verified by a hand calculation. The results between the two calculations are slightly different due to moving field that needs to be taken into account. Secondly, mechanical data set is examined for the motor design. Then, the CAD drawing of the motor is given followed by analytical verification of the design and electromagnetic analysis. The production and the tests of the electric motor that is designed is explained and finally the conclusion and future investigations are discussed. The drive circuit is a PWM circuit designed in ANSYS Maxwell Circuit Editor. The features that effect motor design are input voltage, output force and rated speed. To maintain the best electric design for the required force, choosing the proper materials and optimizing the coils are essential. An electrical machine is an electromechanical device that converts energy. When one investigates, when the input is electrical energy and the output is mechanical energy it works as an electrical motor. However, if the input is mechanical energy and the output is electrical energy electrical machine works as an electrical generator. Electrical machines can be divided into two different types which are listed as Alternative Current (AC) and Direct Current (DC) electrical machines. In an AC machine, alternative current flows into the coil and creates a rotating magnetic field in the airgap. In DC machines magnetic field is created straightly. Permanent magnet brushless DC motors are named DC but thinking of their working principle they can be considered in AC machine types. The designed linear motor can be thought like a BLDC machine. For the linear motor a special design is produced and laboratory tests are made. According to this special design, three coils would face four magnets. The design of the motor is made by computer aided software. After designing the linear motor, electromagnetic FEM analyses are made. The coils are optimized after making several analyses by using the finite element software. When the verification of the design is obtained, production is made as well as motor assembly. There are three hall sensors exist on the original motor. The hall sensors that are currently exist on the motor are ignored for the FEM design. An approximation is made for the FEM design for these hall sensors. In the thesis, hall sensors will not be discussed under the chapter of electromagnetic simulation.Yüksek LisansM.Sc

Design and Application of Electrical Machines

Electrical machines are one of the most important components of the industrial world. They are at the heart of the new industrial revolution, brought forth by the development of electromobility and renewable energy systems. Electric motors must meet the most stringent requirements of reliability, availability, and high efficiency in order, among other things, to match the useful lifetime of power electronics in complex system applications and compete in the market under ever-increasing pressure to deliver the highest performance criteria. Today, thanks to the application of highly efficient numerical algorithms running on high-performance computers, it is possible to design electric machines and very complex drive systems faster and at a lower cost. At the same time, progress in the field of material science and technology enables the development of increasingly complex motor designs and topologies. The purpose of this Special Issue is to contribute to this development of electric machines. The publication of this collection of scientific articles, dedicated to the topic of electric machine design and application, contributes to the dissemination of the above information among professionals dealing with electrical machines

A new linear magnetic gear with adjustable gear ratios and its application for direct-drive wave energy extraction

In this paper, a new linear magnetic gear with multiple gear ratios is proposed. Unlike the conventional linear magnetic gears, the proposed one purposely utilizes the aluminum-nickel-cobalt (AlNiCo) permanent magnets (PMs) as the excitation source. Due to the relatively low coercivity, AlNiCo PMs can be magnetized or demagnetized by applying an appropriate DC current pulse into the magnetizing winding. Thus, the pole-pair numbers of PMs on two movers can be varied accordingly so that different gear ratios can be achieved. Firstly, the mathematical modeling of the hysteresis loop of AlNiCo PMs is established. Then, the proposed linear magnetic gear with adjustable gear ratios is presented. Instead of the traditional surface-mounted PM configuration, the proposed machine installs the PMs using the surface-inset and consequent-pole configuration. Hence, the adverse influence during the magnetizing or demagnetizing process can be minimized. Since the magnetizing windings are placed in the movers, no position control is required for the magnetizing or demagnetizing process. By applying finite element analysis, the electromagnetic performances of the proposed linear magnetic gear with adjustable gear ratios are evaluated. Finally, the proposed linear magnetic gear is applied for direct-drive wave energy extraction. Owing to the capability of adjustable gear ratios, the wave energy converter can be operated in resonance with the waves at different sea states so that the maximized power can be captured

Tubular permanent magnet actuators: cogging forces characterization

Tubular permanent magnet actuators are evermore used in demanding industrial and automotive applications. However, these actuators can suffer from large cogging forces, which have a destabilizing effect on the servo control system and compromise position and speed control accuracy. This paper focuses on the identification of the cogging forces by means of finite element software, where an approach is introduced within the 2D finite element analysis to model the linear tubular permanent magnet actuator compared to conventional axisymmetrical models. This gives that the contribution of the stator teeth and finite length of the ferromagnetic armature core to the total cogging force can be separately analyzed. The cogging force predictions is characterized and the effectiveness of the new method is verified comparing the results of the tubular structure in both the axisymmetrical model and 2D finite element model, normally used for rotary machines

Comparative study and selection criteria of linear motors

Initially, linear motors have been particularly dedicated to transportation systems. Nowadays, linear motors are meant to replace a system using a rotating motor and a transmission to realize a linear movement. With linear motors the performances increase considerably since the mechanical limitations are removed. This leads to a better precision, a higher acceleration and a higher speed of the moving part. Therefore, direct drives with linear motors are increasingly used in industrial applications although these solutions need often more investment costs. Different linear motor structures and technologies exist. They can be either induction or synchronous motors with a transverse or a longitudinal flux. Furthermore, linear motors may have several topologies. They can be either long or short stator and double or single sided. All these variants may be combined giving therefore numerous possibilities to perform a linear movement. Hence, to make the best choice for a given application, a global methodology based on the comparison of optimized motors is presented in the thesis. This design methodology is based on figure of merits which are bound to the specifications of the studied application. This method differs from a conventional one since optimized motors with the same objective function are compared. The optimized motors are obtained by an indirect method based on an optimization algorithm (Sequential Quadratic Programming, SQP). An indirect approach differs from the conventional deterministic one for which at least one parameter must be fixed to obtain a motor pre design, since there are constraints and validity domain which are introduced. The proposed methodology can be applied either to rotating or to linear motor design. The use of an optimization program to perform motor designs requires analytical motor models. The models developed in this thesis take into account the thermal behavior of the motors in order to achieve more realistic results. Furthermore, the analytical models of synchronous motors are thoroughly studied leading to several interesting conclusions. They are based on well known algorithms developed for rotating motors. The proposed models are very accurate in comparison with the FEM program, except for a transversal flux linear motor for which the obtained results are not worthwhile enough to be optimized. This is caused by the structure of the motor which is close to a reluctant motor and imposes to model the motor by a lumped magnetic scheme. Moreover, a global analysis of the windings due to the particularity of linear motor to have an even or odd number of poles is presented in the thesis. The methodology proposed in the thesis is successfully used for an innovative application which deals with a multi mobile system for a lift. For this lift, several cabins travel in the same shaft implying linear motors to move autonomously each cabin. First, by comparing the different motor technologies, the best motor type is selected. Afterwards, the motor windings for the selected motors are analyzed and compared in order to find the most adapted one for this application. The motor is finally optimized, leading to a motor design proposal. This motor design takes into account the thermal behavior, the material cost and the electrical characteristic of the linear motor

Design and performance investigation of flux-concentrated tubular linear generator for an external combustion free piston engine

PhD ThesisThe increasing global desire for highly fuel efficient power systems and the need for environmentally friendly energy sources is driving much present research in electrical power. A linear power system, where a linear machine is driven directly by a free piston engine, offers scalability and a wide range applicability. Standalone power units, hybridised power systems and range extenders in electrified vehicles are all potential applications for this technology. This thesis explores the application of a Linear Joule Engine driving a Permanent Magnet Linear Machine for electrical power generation. Whereas most Joule cycle engines have a rotary compressor and expander, at smaller scale this configuration suffers from leakage around the blades. The linear engine uses a double acting free piston configuration running on the external combustion Joule-cycle, overcoming the low efficiency inherent in small scale gas turbines. The key element for electrical power generation, and the main focus of this thesis, is the development of a linear machine operating as a generator, the design of which is heavily constrained by the geometrical and the operational characteristics of the engine. Using specific constraints for an 5kW engine and by using two dimensional finite element analysis, a novel design methodology of tubular PM linear machine with modular armature winding and feasible arrangements of magnets on the translator member is outlined. The effect of core material, pole number and power conversion system on the machine design are investigated, highlighting the effect of the interconnected design variables on the resulting performance and material use, all satisfying design objectives. A Flux – Concentrated PM configuration is selected for further development. vi In order to accomplish an overall system performance investigation tool, at first the development of a general novel linear machine model is introduced and tested in a feedforward manner with accounts for all machine interacting electromagnetic forces. Then, a novel dynamic model incorporating both the linear machine model driven by the linear Joule engine model, coupled together in a closed loop form, is realized. The coupled model bridges mechanical and electrical parts of the engine-generator, and provides a solid dynamic performance prediction of the system focusing on identifying the effect of cogging force on system performance and the resultant electrical power loss and electrical efficiency. Compared with the reported cogging force reduction techniques, a novel structural technique and a selection criteria are presented with two dimensional axisymmetric finite element analysis verification showing the effectiveness of the proposed technique. Finally, a machine prototype of the selected design model is manufactured and tested on a bespoke test rig to validate the design model findings. Manufacturing recommendations and future achievable steps are reported for future development of the existing work.The Iraqi Ministry of Higher Education and Scientific Research – University of Baghda