Conceptstudie van een Elektrische Variabele Transmissie voor Off-highway Toepassingen

Steven Vanhee
EVT: Efficiëntie Voor de Toekomst!25 september 2015, slechts enkele dagen na de onthulling van de zogenaamde dieselgate, zegt Elon Musk bij een bezoek aan ons land het volgende:“Wat dit schandaal vooral aantoont, is dat de limiet bereikt is in de ontwikkeling van benzine- en dieselmotoren. Veel vooruitgang is er niet meer mogelijk met fossiele brandstoffen.”Diezelfde dag sprak Paus Franciscus de Verenigde Naties in New York toe.

Conceptstudie van een Elektrische Variabele Transmissie voor Off-highway Toepassingen

EVT: Efficiëntie Voor de Toekomst!

25 september 2015, slechts enkele dagen na de onthulling van de zogenaamde dieselgate, zegt Elon Musk bij een bezoek aan ons land het volgende:

“Wat dit schandaal vooral aantoont, is dat de limiet bereikt is in de ontwikkeling van benzine- en dieselmotoren. Veel vooruitgang is er niet meer mogelijk met fossiele brandstoffen.”

Diezelfde dag sprak Paus Franciscus de Verenigde Naties in New York toe. Hij waarschuwde er voor de toekomst van onze planeet en riep de wereldleiders op om op de klimaattop in Parijs fundamentele beslissingen te nemen om de klimaatverandering tegen te gaan. Van bedrijfsleiders tot regeringsleiders en geestelijken, de meesten onder ons beseffen dat de manier waarop we met de aarde omgaan grondig moet veranderen. De elektrische variabele transmissie is een eerste stap om het gebruik van fossiele brandstoffen terug te dringen en duurzamer met onze planeet om te gaan.

Het voorbije decennium is veel onderzoek verricht naar het verlagen van brandstofconsumptie van voertuigen. De limieten van de traditionele brandstofmotor zijn bereikt. De omschakeling naar hybride en volledig elektrische voertuigen is dan ook onmiskenbaar. Deze nieuwe technologieën vinden steeds vaker hun weg naar de commerciële markt in de light-vehicle industrie. Toch is de productie van deze voertuigen tot op heden beperkt, omwille van twee redenen. Vooreerst loopt het prijskaartje van de auto’s al snel op tot meer dan 25.000 euro. Enkel welgestelde gezinnen kunnen dus van de voordelen profiteren. Daarnaast is het vermogen van volledig elektrische voertuigen nog steeds beperkt. Dat laatste is de voornaamste reden waarom elektrische technologieën moeilijk uit te breiden zijn tot de off-highway markt. Deze thesis focust zich op dit marktsegment en beoogt de haalbaarheid van elektrificatie van de aandrijflijn in hoge vermogens-, maar lage snelheidsvoertuigen aan te tonen.

Transmissiesystemen bestaan in vele verschillende vormen en maten. De meest courante configuratie in de off-highway markt omvat een seriële connectie van een brandstofmotor, een koppelomvormer en een schakelkast verbonden aan de wielas. Traditionele hydraulische koppelomvormers (HTC: Hydraulic Torque Converter) voor de off-highway markt zijn vergelijkbaar met de koppelomvormer in automatisch geschakelde auto’s. Hoewel de pomp-turbine werking van deze omvormer zeer eenvoudig is, laat de efficiëntie de wensen over. Vooral net na het schakelen, wanneer het snelheidsverschil tussen ingaande en uitgaande as hoog is, is de efficiëntie van de omvormer opmerkelijk laag. Mede daardoor komt de globale efficiëntie van een acceleratie curve niet boven de 85% uit. Typerend voor Off-highway voertuigen (bv. bulldozers) zijn de vele acceleraties die ze ondergaan. De koppelomvormer vormt dus wel degelijk de zwakste schakel in de keten.

Elektrische machines zijn veel efficiënter dan hun hydraulische equivalenten. De voorgestelde elektrische koppelomvormer voor off-highway voertuigen bestaat in essentie uit de integratie van twee elektrische motoren waardoor een elektrische machine met twee rotoren ontstaat. De binnenste rotor wordt verbonden met de verbrandingsmotor, terwijl de buitenste rotor verbonden wordt met de schakelkast. De configuratie laat toe om vermogen langs twee wegen te transporteren. Een deel van het vermogen wordt direct overgebracht van de binnenste rotor naar de buitenste rotor via elektromagnetische krachten.  Daarnaast wordt een ander deel van het rotorvermogen afgetapt en via elektrische convertoren naar de stator gestuurd. Kortom, de koppelomvormer bestaat uit een elektromagnetisch-elektrische vermogenssplit.

Naast een hogere efficiëntie hebben elektrische machines een veel grotere controle flexibiliteit dan hun hydraulische tegenhangers. In traditionele transmissiesystemen, zowel manueel als automatisch gestuurd, bepaalt de snelheid van het voertuig de snelheid van de verbrandingsmotor. De snelheid van de verbrandingsmotor wordt daarnaast bepaald door de versnelling van de schakelkast. Een voertuig kan bijvoorbeeld 25km/h rijden in 3e of in 4e versnelling. Het is evident dat de snelheid van de verbrandingsmotor in de laatste configuratie veel lager is. De keuze voor 3e of 4e versnelling hangt af van de efficiëntie van de motor. Het gebruik van een elektrische koppelomvormer laat toe het aantal werkingspunten van de motor te verhogen. In voorgaand voorbeeld in het aantal werkingspunten beperkt tot 2 (vb. 1500rpm in 3e versnelling en 1000rpm in 4e). De elektrische koppelomvormer kan de motor in eender welke snelheid tussen 700rpm en 2000rpm aansturen. Het aantal versnellingen van de schakelkast wordt met andere woorden uitgebreid tot een continu interval. Door de continue regelbare snelheidsverhouding en het elektrisch karakter van de machine, wordt de omvormer ook een Elektrisch Variabele Transmissie (EVT) genoemd.

De thesis focust zich design van de EVT. Via simulaties wordt het gedrag van de machine geanalyseerd, en de geometrie geoptimaliseerd. De scriptie toont aan dat ten opzichte van de startgeometrie, de verliezen van de geoptimaliseerde geometrie met 40% gereduceerd zijn. Daarnaast wordt het model van de EVT geïntegreerd in een volledig 250kW transmissiemodel van een off-highway voertuig. Op basis van een versnelling vanuit stilstand tot 25km/h, vergelijkt het werk de EVT met een traditionele hydraulische koppelomvormer. De thesis concludeert dat de efficiëntie van de elektrische omvormer 10% hoger is dan zijn hydraulisch equivalent. Bovendien daalt de brandstofconsumptie tot 20% gedurende een acceleratie door de betere aansturing van de verbrandingsmotor. Daarnaast is de EVT in staat trillingen te reduceren en bevat de omvormer een inherente overload protectie. Tot slot besluit de scriptie dat de dimensies van de EVT niet veel groter zijn dan deze van een hydraulische omvormer, en dat de elektrische convertoren slechts de helft van het doorgangsvermogen dienen te dragen.

Op de vraag of een EVT een haalbare upgrade is voor huidige transmissiesystemen in off-highway voertuigen, is het antwoord duidelijk ja. Naast de sterk gereduceerde brandstofconsumptie biedt de EVT nog een resem andere voordelen. Bovendien is het gebruik van een EVT niet beperkt tot een elektrische koppelomvormer. Door de connectie van een batterij aan de convertoren wordt zonder meer een hybride voertuig gecreëerd. Daarnaast bestaan er diverse andere transmissietopologieën waarin de EVT leidt tot beter prestaties. Ten slotte is het gebruik van de EVT niet gelimiteerd tot de automobielindustrie. Verschillende toepassingen in andere sectoren, zoals in windmolens en treinlocomotieven, worden momenteel ook onderzocht.

Bibliografie

Abdel-Razek, AA et al. (1981). “The calculation of electromagnetic torque in saturated electric machines within combined numerical and analytical solutions of the field equations". In: Magnetics,IEEE Transactions on 17.6, pp. 3250-3252.

Andersen, O.W. (2002). “Finite Element Analysis of Induction Motors". In: International Conference on Electrical Machines. Bruges: ICEM.

Arkkio, Antero et al. (1987). Analysis of induction motors based on the numerical solution of the magnetic field and circuit equations. Helsinki University of Technology.

Backx, PW (2008). Prototype Testing of the Electric Variable Transmission.

Beachley, N.H. and A.A. Frank (1979). Continuously variable transmissions: theory and practice. California Univ., Livermore (USA). doi: 10.2172/5529813. url: http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/5529813.

Belmans, Ronnie, R De Weerdt, and E Tuinman (1993). “Combining field analysis techniques and macroscopic parameter simulation for describing the behavior of medium sized squirrel-cage induction motors fed with an arbitrary voltage". In: Power Electronics and Applications, 1993., Fifth European Conference on. IET, pp. 413-418.

Bertotti, Giorgio (1998). Hysteresis in magnetism: for physicists, materials scientists, and engineers. Academic press.

Boglietti, Aldo et al. (2011). “Induction motor design methodology based on rotor diameter progressive growth". In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE. IEEE pp. 3104-3111.

Bonsen, Bram et al. (2003). “Analysis of slip in a continuously variable transmission". In: ASME 2003 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers, pp. 995-1000.

Brown, J.E., K.P. Kovacs, and P. Vas (1983). “A Method of Including the Effects of Main Flux Path Saturation in the Generalized Equations of A.C. Machines". In: Power Apparatus and Systems, IEEE Transactions on PAS-102.1, pp. 96-103. issn: 0018-9510. doi: 10.1109/TPAS.1983. 318003.

Chen, Li et al. (2011). “Design and analysis of an electrical variable transmission for a series/parallel hybrid electric vehicle". In: Vehicular Technology, IEEE Transactions on 60, pp. 2354-2363.

Chitroju, Rathna (2009). “Improved performance characteristics of induction machines with non-skewed symmetrical rotor slots". Licentiate Thesis. SE-100 44 Stockholm, Sweden: Royal Institute of Technology (KTH).

Dolinar, Drago et al. (1997). “Calculation of two-axis induction motor model parameters using finit elements". In: Energy Conversion, IEEE Transactions on 12.2, pp. 133-142.

Dolinar, Drago, Gorazd Stumberger, and Bojan Grcar (1998). “Calculation of the linear induction motor model parameters using finite elements". In: Magnetics, IEEE Transactions on 34.5, pp. 3640-3643.

Druant, Joachim et al. (2014). “Modeling and control of an induction machine based electric variable transmission". eng. In: Young Researchers Symposium, Proceedings. Ghent, Belgium, p. 5.

| (2015). “Field Oriented Control for an Induction Machine Based Electrical Variable Transmission". eng. In: IEEE Transactions on Vehicular Technology [submitted]. Ghent, Belgium.

Duan, Yao and Ronald G Harley (2011). “A novel method for multiobjective design and optimization of three phase induction machines". In: Industry Applications, IEEE Transactions on 47.4, pp. 1707-1715.

Escarela-Perez, R, E Melgoza, and E Campero-Littlewood (2008). “Time-Harmonic Modeling of Squirrel-Cage Induction Motors: A Circuit-Field Coupled Approach". In: Proceedings of the COMSOL Conference, Boston.

Faiz, Jawad et al. (2002). “A complete lumped equivalent circuit of three-phase squirrel-cage induction motors using two-dimensional finite-elements technique". In: Energy Conversion, IEEE Transactions on 17.3, pp. 363-367.

Fu, WN, SL Ho, and Ho-ching Chris Wong (2001). “Design and analysis of practical induction motors". In: Magnetics, IEEE Transactions on 37.5, pp. 3663-3667.

Gerling, Dieter (2005). “Comparison of Different FE Calculation Methods for the Electromagnetic Torque of PM Machines". In: NAFEMS Seminar. Numerical Simulations of Electromechanical Systems.

GmbH, AGCO (2010). The 200 Vario: true greatness in operation. Brochure. url: http://www.fendt.com/int/pdf/10057700_FE_200_GB_Inter.pdf.

Gyimesi, I and Dale Ostergaard (1999). “Inductance computation by incremental finite element analysis". In: Magnetics, IEEE Transactions on 35.3, pp. 1119-1122.

Hanafy, Hanafy Hassan, Tamer Mamdouh Abdo, and Amr Amin Adly (2014). “2D finite element analysis and force calculations for induction motors with broken bars". In: Ain Shams Engineering Journal 5.2, pp. 421-431.

He, Yi-Kang and T.A. Lipo (1984). “Computer Simulation of an Induction Machine with Spatially Dependent Saturation". In: Power Apparatus and Systems, IEEE Transactions on PAS-103.4, pp. 707-714. issn: 0018-9510. doi: 10.1109/TPAS.1984.318316.

Hoeijmakers, Martin J and Marcel Rondel (2004). “The electrical variable transmission in a city bus". In: Power Electronics Specialists Conference, 2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual. Vol. 4. IEEE, pp. 2773-2778.

Hoeijmakers, Martin J and Jan A Ferreira (2006). “The electric variable transmission". In: Industry Applications, IEEE Transactions on 42, pp. 1092-1100.

Honsinger, Vernon B (1959). “Theory of end-winding leakage reactance". In: Power Apparatus and Systems, Part III. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers 78.3, pp. 417-

424.

Hsu, You-Chiuan, Min-Fu Hsieh, and Richard A McMahon (2009). “A general design method for electric machines using magnetic circuit model considering the ux saturation problem". In: Power Electronics and Drive Systems, 2009. PEDS 2009. International Conference on. IEEE, pp. 625-630.

Huang, Surong et al. (1998). “A general approach to sizing and power density equations for comparison of electrical machines". In: Industry Applications, IEEE Transactions on 34.1, pp. 92-97.

Ide, K et al. (1999). “Analysis of saturated synchronous reactances of large turbine generator byconsidering cross-magnetizing reactances using finite elements". In: Energy Conversion, IEEE Transactions on 14.1, pp. 66-71.

Idoughi, L. et al. (2011). “Thermal Model With Winding Homogenization and FIT Discretization for Stator Slot". In: Magnetics, IEEE Transactions on 47.12, pp. 4822-4826. issn: 0018-9464.doi: 10.1109/TMAG.2011.2159013.

Ito, M. et al. (1981). “Analytical Model for Magnetic Field Analysis of Induction Motor Performance". In: Power Apparatus and Systems, IEEE Transactions on PAS-100.11, pp. 4582-4590. issn: 0018-9510. doi: 10.1109/TPAS.1981.316798.

Jianhui, Hu, Zou Jibin, and Liang Weiyan (2003). “Finite element calculation of the saturation DQ-axes inductance for a direct drive PM synchronous motor considering cross-magnetization". In: Power Electronics and Drive Systems, 2003. PEDS 2003. The Fifth International Conference on. Vol. 1. IEEE, pp. 677-681.

Kabashima, Takefumi, Atsushi Kawahara, and Tadahiko Goto (1988). “Force calculation using magnetizing currents". In: Magnetics, IEEE Transactions on 24.1, pp. 451-454.

Kank, A, GB Kumbhar, and SV Kulkarni (2006). “Coupled magneto-mechanical field computations". In: Power Electronics, Drives and Energy Systems, 2006. PEDES'06. International Conference on. IEEE, pp. 1-4.

Kautzmann, Timo et al. (2010). Self-optimizing machine management. Institute for Mobile Machines, Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Knechtges, Herman J (2003). “Trends bei Traktoren und Transportfahrzeugen". In: Landtechnik 58.6, pp. 370-372.

Kowal, D. et al. (2011). “Inuence of the Electrical Steel Grade on the Performance of the Direct-Drive and Single Stage Gearbox Permanent-Magnet Machine for Wind Energy Generation, Based on an Analytical Model". In: Magnetics, IEEE Transactions on 47.12, pp. 4781-4790. issn: 0018-9464. doi:  0.1109/TMAG.2011.2158846.

Le Besnerais, Jean et al. (2009). “Optimal slot numbers for magnetic noise reduction in variable-

speed induction motors". In: Magnetics, IEEE Transactions on 45.8, pp. 3131-3136.

Lee, Ki-sik et al. (1991). “Coupling finite elements and analytical solution in the airgap of electric machines". In: Magnetics, IEEE Transactions on 27.5, pp. 3955-3957. Linares, P, V Mendez, and H Catalan (2010). “Design parameters for continuously variable powersplit transmissions using planetaries with 3 active shafts". In: Journal of Terramechanics 47.5, pp. 323-335.

Liu, Yulong, SL Ho, and WN Fu (2014). “Novel Electrical Continuously Variable Transmission System and its Numerical Model". In: Magnetics, IEEE Transactions on 50, pp. 757-760. Lu, Zhijian (1998). “Acceleration simulation of a vehicle with a continuously variable power split transmission". PhD thesis. West Virginia University.

Macor, Alarico and Antonio Rossetti (2011). “Optimization of hydro-mechanical power split transmissions". In: Mechanism and Machine Theory 46.12, pp. 1901-1919.

Marignetti, Fabrizio, V Delli Colli, and Yuri Coia (2008). “Design of axial ux PM synchronous machines through 3-D coupled electromagnetic thermal and dynamical finite-element analysis". In: Industrial Electronics, IEEE Transactions on 55.10, pp. 3591-3601.

Martinez, Javier, Anouar Belahcen, and Antero Arkkio (2012). “A 2d fem model for transient and fault analysis of induction machines". In: Przeglad Elektrotechniczny 88.7B, pp. 157-160. Melkebeek, Jan (2013). Electrical Drives (course text). Ghent University, EESA, EELAB. (2014). Dynamics of Electrical Machines and Drives (course text). Ghent University, EESA, EELAB.

Mizia, J et al. (1988). “Finite element force calculation: comparison of methods for electric machines". In: Magnetics, IEEE Transactions on 24.1, pp. 447-450.

Munoz, Alfredo R and Thomas A Lipo (1999). “Complex vector model of the squirrel-cage induction machine including instantaneous rotor bar currents". In: Industry Applications, IEEE Transactions on 35.6, pp. 1332-1340. Niu, Shuangxia, SL Ho, and WN Fu (2013). “Design of a novel electrical continuously variable transmission system based on harmonic spectra analysis of magnetic field". In: Magnetics, IEEE Transactions on 49, pp. 2161-2164.

Ojo, Joseph O and Thomas A Lipo (1989). “An improved model for saturated salient pole synchronous motors". In: Energy Conversion, IEEE Transactions on 4.1, pp. 135-142.

Polinder, Henk et al. (2003). “Modeling of a linear PM machine including magnetic saturation and end effects: Maximum force-to-current ratio". In: Industry Applications, IEEE Transactions on 39.6, pp. 1681-1688.

Popescu, Mircea (2006). “Prediction of the electromagnetic torque in synchronous machines through Maxwell stress harmonic filter (HFT) method". In: Electrical Engineering 89.2, pp. 117-125.

Renius, Karl Th and Rainer Resch (2005). Continuously variable tractor transmissions. American Society of Agricultrual Engineers.

Ryu, W. and H. Kim (2008). “CVT ratio control with consideration of CVT system loss". English. In: International Journal of Automotive Technology 9.4, pp. 459-465. url: http://search.proquest.com/docview/229680457?accountid=11077.

Sasaki, S (1998). “Toyota's newly developed hybrid powertrain". In: Power Semiconductor Devices and ICs, 1998. ISPSD 98. Proceedings of the 10th International Symposium on. IEEE, pp. 17-22.

Shafai, Esfandiar et al. (1995). “Model of a continuously variable transmission". In: Proceedings of IFAC 1st Workshop on Advances in Automotive Control, U. Kiencke and L. Guzzella, eds, pp. 105-113.

Shima, Kazumasa, Kazumasa Ide, and Miyoshi Takahashi (2002). “Finite-element calculation of leakage inductances of a saturated salient-pole synchronous machine with damper circuits". In: Energy Conversion, IEEE Transactions on 17.4, pp. 463-470.

Silwal, Bishal et al. (2012). “Computation of eddy currents in a solid rotor induction machine with 2-D and 3-D FEM". MA thesis. Aalto University.

Sprooten, Jonathan, Johan Gyselinck, and Jean-Claude Maun (2007). “Finite Element and Electrical Circuit Modelling of Faulty Induction Machines-Study of Internal Effects and Fault Detection". Master Thesis. Universite Libre de Bruxelles.

Sun, Chengyan et al. (2010). “Hydrostatic-Mechanical Power Split CVT". MA thesis. Tampere Univercity of Technology.

Sun, Xikai et al. (2009). “Optimal design of double-layer permanent magnet dual mechanical port machine for wind power application". In: Magnetics, IEEE Transactions on 45.10, pp. 4613-4616.

Sun, Xikai et al. (2013). “Application of electrical variable transmission in wind power generation system". In: Industry Applications, IEEE Transactions on 49, pp. 1299-1307.

Sundaram, M and P Navaneethan (2011). “On the Inuence of Stator Slot shape on the Energy Conservation Associated with the Submersible Induction Motors". In: American Journal of Applied Sciences 8.4, pp. 393-399.

Tarnhuvud, T and K Reichert (1988). “Accuracy problems of force and torque calculation in FE-systems". In: Magnetics, IEEE Transactions on 24.1, pp. 443-446.

Trickey, P.H. (1936). “Induction motor resistance ring width". In: Electrical Engineering 55.2, pp. 144-150. issn: 0095-9197. doi: 10.1109/EE.1936.6540574.

Vandevelde, Lieven and Jan Melkebeek (2014). Electrical Machine Design (course text). Ghent University, EESA, EELAB.

Verhelst, Sebastiaan (2013). Autotechniek (course text). Ghent University, Faculty of Engineering and Architecture.

Vukosavic, Slobodan N. (2013). Electrical Machines. English. New York: Springer. isbn: 978-1-4614-0399-9.

Weili, Li et al. (2007). “Finite-element analysis of field distribution and characteristic performance of squirrel-cage induction motor with broken bars". In: Magnetics, IEEE Transactions on 43.4, pp. 1537-1540.

Williamson, S and JW Ralph (1983). “Finite-element analysis of an induction motor fed from a constant-voltage source". In: IEE Proceedings B (Electric Power Applications). Vol. 130. IET, pp. 18-24.

Williamson, S and MC Begg (1985a). “Analysis of cage induction motors-A combined fields and circuits approach". In: Magnetics, IEEE Transactions on 21.6, pp. 2396-2399.

| (1985b). “Calculation of the bar resistance and leakage reactance of cage rotors with closed slots". In: IEE Proceedings B (Electric Power Applications). Vol. 132. IET, pp. 125-132.

| (1986). “Calculation of the resistance of induction motor end rings". In: IEE Proceedings B (Electric Power Applications). Vol. 133. IET, pp. 54-60.

Williamson, S, LH Lim, and AC Smith (1990). “Transient analysis of cage-induction motors using finite-elements". In: Magnetics, IEEE Transactions on 26.2, pp. 941-944.

Williamson, S and MJ Robinson (1991). “Calculation of cage induction motor equivalent circuit parameters using finite elements". In: IEE Proceedings B (Electric Power Applications). Vol. 138. IET, pp. 264-276.

Xie, Ying (2012). Investigation of Broken Rotor Bar Faults in Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motors. INTECH Open Access Publisher.

Yamazaki, Katsumi (1999). “Induction motor analysis considering both harmonics and end effects using combination of 2D and 3D finite element method". In: Energy Conversion, IEEE Transactions on 14.3, pp. 698-703.

Yasodha, S, K Ramesh, and P Ponmurugan (2012). “Evolutionary Multiobjetive Optimization Algorithms For Induction Motor Design-A Study". In: International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 2.11.

Zhou, Ping et al. (1998). “Finite element analysis of induction motors based on computing detailed equivalent circuit parameters". In: Magnetics, IEEE Transactions on 34.5, pp. 3499-3502.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Electromechanical Engineering: Electrical Power Engineering
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden