Design of high-power ultra-high-speed permanent magnet machine

The demand for ultra-high-speed machines (UHSM) is rapidly growing in high-tech industries due to their attractive features. A-mechanically-based-antenna (AMEBA) system is another emerging application of UHSM. It enables portable wireless communication in the radio frequency (RF)-denied environment, which was not possible until recently. The AMEBA system requires a high-power (HP) UHSM for its effective communication performance. However, at the expected rotational speed range of 0.5 to 1 million rpm, the power level of UHSM is limited, and no research effort has succeeded to improve the power level of UHSM. The design of HP-UHSM is highly iterative, and it presents several critical challenges, unlike low-power UHSM, such as critical-bending-resonance (CBR), strong mutual influence among Multiphysics performances, exponential air-friction loss, and material limitation. When the magnetic loading of the UHSM rotor is increased to improve the power level, the rotor experiences serious mechanical vibration due to the excessive centrifugal forces and CBR. This vibration limits the operation of HP-UHSM and leads to structural breakdown. Furthermore, the design process becomes more critical when it considers the multidisciplinary design constraints and application requirements. This dissertation proposed a new Multiphysics design method to develop HP-UHSM for critical applications. First, the critical design constraints which prevent increasing the output power of UHSM are investigated. Then, a Multiphysics optimization model is developed by coupling several multidisciplinary analysis modules. This proposed optimization model enables (i) defining multidisciplinary design constraints, (ii) consideration of Multiphysics mutual influence, and (iii) a trade-off analysis between the efficiency and design-safety-margin. The proposed design model adopts the multiphase winding system to effectively increase the electrical loading in the slotless stator. Finally, a 2000 W 500,000 rpm HP-UHSM is optimized for an AMEBA system using the proposed design method. The optimized 2 kW 500,000 rpm machine prototype and its dynamo setup are built in the laboratory. Extensive finite element simulations and experimental testing results are presented to validate the effectiveness of the proposed design method. The results show that the proposed HP-USHM has 94.5% efficiency, 47 kW/L power density, 30% global design safety margin at the maximum speed and no CBR frequency below 11 kHz

Káosz elméleti kutatás véges számú teljesitmény kapcsolókat tartalmazó, nemlineáris. dinamikus, szabályozott rendszerekben = Research with Chaos Theory in Nonlinear, Dynamic, Feedback Controlled Systems Containing Finite Number of Power Switches

A kutatás négy témakörben folyt. Kaotikus tartományban működő nemlineáris villamos hajtás stabilis trajektóriára állítása témában a legfontosabb eredmény az volt, hogy a motor árammal arányos jelhez külső periodikus fűrészfog alakú jelet adva el lehetett érni a jel meredekségének megváltoztatásával, hogy a rendszerre ható külső jelek (terhelő nyomaték, tápfeszültség, fordulatszám alapjel) terének egy általunk megválasztott széles tartományában a rendszer stabilis maradjon, míg ugyanitt a fűrészfog alakú jel nélkül a rendszer kaotikus, labilis állapotba került. A megújuló energiák témában az ultranagy fordulatszámú gép szabályozásával, egy új kombinált napelem-termikus rendszer elméleti, szimulációs és kísérleti vizsgálatával és a mikrogridek feszültségszabályozásával foglalkoztunk. A pulzus szélesség modulációs eljárásokkal kapcsolatban egyes irodalmi állításokkal szemben bizonyítottuk, hogy jelentős egyenáramú komponens is felléphet. Francia, olasz és japán kooperációban végzett kutatás során a konverterek által generált harmonikusokat csökkentő két módszert dolgoztuk ki. Az eredményeket 45 cikkben publikáltuk. Egy kivételével valamennyi angol nyelvű és három kivételével valamennyi külföldön jelent meg Európa, Amerika, Ázsia és Afrika országaiban. | The research has had four topics. The most important result in the topic dealing with the connection to a stable orbit of a chaotic trajectory of nonlinear electrical drive operating in chaotic region was as follows: The system remain stable in wide range of the input signals (load torque, supply voltage, speed reference signal) selected by us provided that, the slope of an input periodical saw tooth signal added to the signal proportional to the motor current has been change. Otherwise the system remained operating in chaotic state without the application the saw tooth signal. In the renewable energy topic the control of ultra-high speed machine and the theoretical and simulation, test of the new combined solar-thermal system as well as voltage control of micro-grids were the research fields. Contrary to the statements found in the relevant literature dealing with the pulse width modulation it has been proved that considerable amount of DC-DC current can be generated. Two methods for suppressing harmonics generated by the electrical energy conversion have been developed in French, Italian, and Japanese cooperation. The research results have been published in 45 papers. All of them but one was written in English and they were published outside of Hungary in Europe, Asia, America, and Africa except three of them

Sonic simulation of the SPS power beam

A Satellite Power System Microwave Transmission Simulator is described. The simulator generates and transmits a beam audible sound energy which is mathematically similar to the microwave beam which would transmit energy to Earth from a Solar Power Satellite. This allows areas such as power beam formation to be studied in a laboratory environment

Polishing of 3/4 Inch Silicon Nitride Balls Using the Large Batch Magnetic Float Polishing Apparatus

The purpose of this study was to polish 3/4 inch silicon nitride (Si3N4) balls to the best possible sphericity and surface finish using the large batch magnetic float polishing apparatus. Objectives included: 1) optimize the system design so that consistent and repeatable results could be obtained, 2) investigate the parameters involved in order to develop a sequence of polishing runs that will produce a batch of ball to the best sphericity and surface finish. Parameters in this study are abrasive, load, speed, and run duration. Two batches of balls have been polished. Modifications were made to the design which enabled the results to be consistent for a given set of parameters. Following this, parameters were investigated and a polishing process was outlined which would polish a batch of forty-six balls in approximately twenty hours, to a quality level of grade 16, according to AFBMA specifications.Mechanical & Aerospace Engineerin

Permanent magnet machines for high-speed applications

This paper overviews high-speed permanent magnet (HSPM) machines, accounting for stator structures, winding configurations, rotor constructions, and parasitic effects. Firstly, single-phase and three-phase PM machines are introduced for high-speed applications. Secondly, for three-phase HSPM machines, applications, advantages, and disadvantages of slotted/slotless stator structures, non-overlapping/overlapping winding configurations, different rotor constructions, i.e., interior PM (IPM), surface-mounted PM (SPM), and solid PM, are summarised in detail. Thirdly, parasitic effects due to high-speed operation are presented, including various loss components, rotor dynamic and vibration, and thermal aspects. Overall, three-phase PM machines have no self-starting issues, and exhibit high power density, high efficiency, high critical speed, together with low vibration and noise, which make them a preferred choice for high-performance, high-speed applications

Model Optimasi Storage Assignment Untuk Order-Picking Pada Gudang RAW MATERIAL PT X

Gudang merupakan salah satu komponen penting dalam aktivitas logistik dan rantai pasok (supply chain). Gudang memiliki peran dalam pengendalian persediaan untuk meningkatkan koordinasi supply-demand dan menurunkan biaya secara keseluruhan (Ballou, 2004). Ghiani et al. (2004) menyebutkan bahwa aktivitas utama yang terdapat di dalam gudang terdiri dari, receiving, holding/storing, picking, dan shipping. Berdasarkan keempat akivitas tersebut, picking atau order-picking merupakan aktivitas yang membutuhkan kontribusi material handling paling besar. Menurut Coyle et al. (2003), order-picking diestimasikan menyumbang sekitar 65% dari keseluruhan biaya operasi gudang. Persentase tersebut cukup besar dibandingkan aktivitas dalam gudang lannya. Efisiensi aktivitas order-picking diperlukan untuk mengurangi besarnya biaya operasional tersebut. Salah satu permasalahan operasional yang dihadapi pengelola gudang terkait order-picking adalah storage assignment policies. Storage assignment problem merupakan sebuah tantangan bagi pengelola gudang karena banyaknya item yang harus disimpan di dalam gudang. Rencana perubahan layout yang terjadi di gudang raw material PT X menghasilkan sebuah tantangan baru yaitu bagaimana menentukan storage assignment yang sesuai. Gudang raw material PT X dibagi menjadi dua bagian yaitu section 1 yang menyimpan raw material bubuk (bulk) dan section 2 yang menyimpan raw material cairan kimia (liquid). Untuk menyelesaiakan permasalahan tersebut dilakukan pembangunan model optimasi yang memodifikasi model milik Sanei et al. (2011). Parameter yang dijadikan pertimbangan dalam model yang dibangun adalah besarnya frekuensi aliran raw material dan jarak tempuh tiap rak dengan pintu keluar. Modifikasi yang dilakukan yaitu pada parameter frekuensi yang dipangkatkan tiga. Tujuan dari frekuensi yang dipangkatkan tersebut adalah untuk mendapatkan besarnya rasio yang berbanding lurus dengan besarnya frekuensi. Eksperimen model dilakukan dengan menggunakan software LINGO 11.0. Total jarak tempuh untuk pengambilan semua raw material pada gudang raw material section 1 adalah 6.884 meter. Sedangkan total jarak tempuh untuk gudang raw material section 2 adalah 53.491,9 meter. ============================================================================================================= Warehouse is one of the most important component in logistic and supply chain activities. Warehouse has role in controlling inventory to increase supplydemand coordination and reducing the overall cost (Ballou, 2004). According to Ghiani et al. (2004), the main activities held on warehouses are, receiving, holding/storing, picking, and shipping. Based on those four activities, picking or order-picking is an activity which require biggest contribution of material handling. According to Coyle et al. (2003), order-picking estimated account about 65% of overall warehouse operational cost. That percetage of warehouse operational cost is the highest cost among others activities. Eficiency of order-picking activity is needed to reduce the cost. A common operational issue faced by warehouse manager related to order-picking activity is storage assignment policy. Storage assignment problem has been a challenge for warehouse manager because of many items should be stored. Warehouse relayout which planned in raw material warehouse of PT X, has been a new challange to determining an appropiate storage assignment. Raw material warehouse of PT X divided into two warehouse section. Section 1 is assign for bulk material storage and section 2 is assign for liquid material storage. To solve this problem, we build an optimization model which modified from the original optimization model by Sanei et al. (2011). The parameter were taken into consideration in the model are the raw material flow frequency and the lenght of each rack from the exit door. The modification made at the frequency parameters which cubed. The purpose of this cubed is to resulting the ratio’s value which directly proportional to the frequency’s value. The experiment were performed using LINGO 11.0. The total mileage of overall raw material picking in section 1 is 6.884 meters. Meanwhile the total mileage of overall raw material picking in section 2 is 53.491,9 meter

Synchronous Pulse Width Modulation with Low Frequency Modulation Index in Permanent-Magnet Machine Drive

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2016. 2. 하정익.교류 전동기는 유지 및 보수비용이 많이 드는 직류 전동기의 정류자와 브러쉬를 제거할 수 있지만, 전동기 구동을 위해서는 교류전압이 필요하다는 단점을 가진다. 하지만 반도체 소자 및 마이크로프로세서의 비약적인 발전으로 교류 전압의 합성이 용이해져, 벡터제어 기법을 이용한 교류 전동기 제어방식이 널리 사용되기 시작했다. 최근, 설치형 가전뿐만 아니라 휴대용기기나 자동차 분야까지 확장되고 있다. 특히, 이동이 요구되는 분야에서 교류전동기를 사용할 경우 무게와 부피 최소화가 필수적이기 때문에 고속전동기가 주로 사용된다. 고속전동기는 높은 운전속도로 인해 수kHz이상의 높은 출력 주파수를 필요로 하기도한다. 하지만, 반도체 소자의 제한된 스위칭 주파수 조건 때문에 합성전압의 기본파 주파수를 증가시키는데 한계가 존재한다. 일반적으로 사용되는 고정 스위칭 주파수를 가지는 Space Vector PWM(SVPWM)방법은 출력전압 기본파 주파수 대비 스위칭 주파수 비율, 즉 주파수 합성비율이 충분히 높지 못할 경우 기본파 주파수 성분 이외의 고조파 성분의 크기가 상대적으로 커진다. 따라서 제한된 스위칭 주파수 조건에서 높은 주파수의 기본파 전압을 합성하기 위해서는 새로운 전압합성 방식이 필요하다. 대용량 시스템에서도 필요한 기본파 주파수의 크기는 상대적으로 작지만 스위칭 주파수가 수백 Hz로 제한되기 때문에 고속전동기 구동시스템과 동일한 문제에 봉착하게 된다. 이를 해결하기 위해 대용량 시스템에서는 최적 PWM을 이용한 궤적추적 방식과 동기 PWM 방법이 제안되었다. 하지만 이 방식은 기본적으로 정상상태 운전조건을 기준으로 최적의 스위칭 인가시간을 계산하기 때문에, 제어 동특성이 나쁘고, 방대한 양의 오프라인 계산과 디지털 제어기 내에 많은 데이터 저장공간이 필요하다. 동기 PWM 방법이 제안되기도 하였지만, 유도 전동기의 V/F 제어등과 같이 개루프(open loop) 제어에만 제한적으로 사용되었다. 따라서 본 논문은 동기 PWM방법을 폐루프(closed loop)제어방식에 적용하여 six-step운전을 포함한 모든 속도영역에서 사용 가능한 영구자석 동기전동기 구동전략을 제안한다. 전압벡터 인가 방향에 따른 일반화된 평균 전압크기 수식을 유도하였으며, 이를 바탕으로 샘플링 주기 단위로 전압을 합성하는 방법을 제안한다. 출력 기본파 주파수에 비해 낮은 스위칭 주파수를 가지는 동기 PWM방법을 전동기 구동에 적용하고자 가변 샘플링 방식을 사용하였으며, 매번 변화하는 샘플링 주기로 인해 발생하는 전압오차를 분석하고 이를 보상하기 위한 방법을 제안하였다. 샘플링 횟수와 전압 합성전략에 따른 출력전압의 고조파 분석을 실시하였다. 이를 바탕으로 단위 섹터당 서로 다른 샘플링 횟수를 가지는 전압 합성방법들 간의 절환전략을 제안하고, 고정 샘플링 시스템에서 가변 샘플링 시스템으로의 전환 알고리즘을 제안하였다. 또한 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM방법은 약자속운전 영역에서 six-step 운전에도 적용할 수 있음을 보였다. 모의실험 및 실험을 통해 제안된 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM방법은 고정 샘플링을 이용한 전압 합성방법에 비해 낮은 주파수 합성비율 조건에서도 출력전류 및 토크맥동을 크게 저감 할 수 있음을 보였다. 제안된 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM방법은 일반화된 수식을 통해 전압합성을 위한 지령값을 쉽게 구할 수 있어 필요한 오프라인 계산이 최소화되고 참조표를 사용하지 않기때문에 간단히 구현할 수 있다. 따라서 데이터 저장과 계산량에 대한 부담이 적기 때문에 최적 PWM을 이용한 궤적추정 방식에 비해 손쉽게 적용할 수 있는 방법이다. 특히 이 방법은 약자속 운전영역에서 six-step운전시, 고정 샘플링의 전압합성을 이용한 전동기 제어방법에 비해 정상상태 성능 및 과도상태 성능이 뛰어나다는 장점을 가진다.제 1 장 서론 1 1.1 연구 배경 1 1.2 연구 목적 5 1.3 논문의 구성 6 제 2 장 낮은 주파수 변조지수에서의 전동기 구동 9 2.1 일반적인 3상 2레벨 전압형 인버터의 전압합성 9 2.1.1 스위칭 동작에 따른 출력 전압 9 2.1.2 전압 변조 방식 12 2.1.3 합성된 상전압의 고조파 특성 19 2.1.4 주파수 변조지수가 낮은 경우의 주파수 특성 22 2.2 고정 샘플링 SVPWM을 이용한 전동기 구동 24 2.2.1 고정 샘플링 전류제어 시스템 24 2.2.2 주파수 변조지수가 낮을 때의 전동기 구동 – 선형변조영역 28 2.2.3 주파수 변조지수가 낮을 때의 전동기 구동 – 약자속 운전영역 30 2.3 기존의 동기전압 합성방법 39 2.3.1 최적 PWM 방법 39 2.3.2 최적 샘플링 주기 설정 방법 41 2.3.3 동기 PWM 방법 41 2.4 기존의 동기전압 합성방법을 이용한 전동기 제어 54 2.4.1 동기 PWM방법을 이용한 open loop 제어 54 2.4.2 최적 PWM을 이용한 전동기 구동 56 2.4.3 가변 샘플링을 이용한 six-step 운전 65 2.5 예측제어기를 이용한 전동기 구동 76 2.5.1 고정된 샘플링 주기를 가지는 전류 예측 제어기 76 2.5.2 히스테리시스 기반의 모델 예측제어기 80 2.6 기존 방식의 한계 83 제 3 장 동기 PWM을 통해 합성된 전압 85 3.1 합성된 전압의 동기좌표계 평균값 85 3.1.1 연속 및 불연속 스위칭 방식에서의 위치각 및 유효벡터 92 3.1.2 연속 스위칭 - 정방향 벡터인가 순서조합 ZX, X, Y, ZY 95 3.1.3 연속 스위칭 - 역방향 벡터인가 순서조합 ZY, Y, X, ZX 98 3.1.4 불연속 스위칭 - 정방향 벡터인가 순서조합 ZX, X, Y, X, Y, ZY 100 3.1.5 불연속 스위칭 - 역방향 벡터인가 순서조합 ZY, Y, X, Y, X, ZX 101 3.1.6 경계 샘플링 방식 – 경계 벡터인가 순서조합 ZX, X, ZX 102 3.1.7 경계 샘플링 방식 – 경계 벡터인가 순서조합 X, ZX, X 104 3.1.8 경계 샘플링 방식에서의 연속 및 불연속 스위칭 106 3.2 샘플링 횟수 별 최대 합성전압 107 3.2.1 연속 및 불연속 스위칭 방식에서의 최대 합성 전압 107 3.2.2 경계 샘플링 방식에서의 최대 합성 전압 110 3.3 샘플링 횟수 별 전압 합성 방법 112 3.3.1 Ns=1인 전압 합성 방법 112 3.3.2 Ns=2인 전압 합성 방법 119 3.3.3 Ns=3인 전압 합성 방법 125 3.4 샘플링 주기 변화시 합성된 전압 134 3.4.1 과도 샘플링 구간에서의 전압크기 수식 135 3.4.2 샘플링 수 및 주입 방향에 따른 과도상태 전압 오차 139 3.4.3 정상상태 및 과도상태에서의 d축과 q축전압 141 3.4.4 과도상태 전압오차 보상 148 제 4 장 동기 PWM을 이용한 전동기 구동 149 4.1 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM 방법 149 4.1.1 동기전압 합성부분 150 4.1.2 전류제어기 및 극좌표계 변환부분 155 4.1.3 옵셋각 보정부분 156 4.1.4 실제전압 인가 시점 및 전류 샘플링 시점 159 4.1.5 모의실험 결과 163 4.2 스위칭 방법간의 절환 176 4.2.1 최소 WTHD를 가지는 동기 PWM방법간의 절환 177 4.2.2 동일한 샘플링 지점을 가지는 동기 PWM방법간의 절환 186 4.2.3 고정 샘플링에서 가변 샘플링으로의 절환 193 4.3 약자속 영역에서의 six-step 운전 198 제 5 장 실험결과 203 5.1 실험장치의 구성 203 5.2 기존방법들의 한계 206 5.2.1 고정 샘플링을 이용한 six-step 운전 206 5.2.2 가변 샘플링을 이용한 고정 six-step 운전방식 209 5.3 동기 PWM방법 사용시 정상상태 성능 213 5.4 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM 방법 적용 220 5.4.1 옵셋각 보상기의 영향 220 5.4.2 동기 PWM방법간의 절환 223 5.4.3 고정 샘플링에서 가변 샘플링으로의 절환 230 5.4.4 약자속 운전영역에서의 six-step 운전 233 5.4.5 연산시간에 대한 고찰 236 제 6 장 결론 및 향후 과제 238 6.1 연구 결과 238 6.2 제안된 시스템의 한계 240 6.3 향후 과제 241 참고 문헌 244 부 록 253 A.1 모의 실험 및 실험에 사용된 전동기 제정수 253 ABSTRACT 254Docto

The Longer Term Effects of Federal Subsidies on Firm Commercialization and Survival:Evidence from the Advanced Technology Program

The goal of this dissertation is to determine the longer term (5-10 year) causal impact of federal R&D subsidies on firms’ survival outcomes and commercialization behavior. The data are small firms which applied to the 1998-2000 Advanced Technology Program (ATP) competitions. A variant of the research design pioneered by Heckman (1979) allows for inherent pre-award differences between awarded and non-awarded firms to be taken into account. This dissertation finds that receiving an ATP award has a positive and significant causal impact on a firm’s survival chances and new product announcements, but not on the more general likelihood of it commercializing any of its research.Doctor of Philosoph

An Energy Analysis of Electric and Pneumatic Ultra-high Speed Machine Tool Spindles

AbstractThere is a growing demand for ultra-high speed precision machine tool spindles to create complex miniature devices and features, in consumer markets such as medical devices, electronics and communications. The key enabling drive technologies for spindle rotational speeds in the 100,000rpm range includes electric motors, both AC and DC powered, and air turbines. In particular for high speed micromachining, turbine spindles have advantages in terms of precision and cost. A widely considered drawback of pneumatic technology though is low energy efficiency, but to date there has been little in depth analysis of commercial/state-of-art turbo-spindle energy performance. This paper provides a holistic comparative analysis of electric motor and turbine powered spindle electrical power requirements, by including the power demand of supporting systems and infrastructure. The analysis indicates that at present the energy usage associated with turbine spindles is significantly higher than electric spindles. However, a number of technically feasible energy efficiency measures are identified for turbine spindles, which would make their energy performance comparable with electro-spindles. The analysis and results will contribute towards an overall life cycle assessment of high speed turbo-spindle technology, and provide impetus to further explore energy optimization approaches and methods