Design and analysis of 60kw radial flux electrically excited eddy current brake for electrical truck

Abstract

Tamamen elektrikli ve hibrit taşıtların geliştirilmesiyle, elektrikle kontrol edilebilen drive-by-wire sistemlerin, yakın zamanda mekanik sistemlerin yerini almaya başlamıştır. Rejeneratif fren de bu sistemlerden biridir. Yüksek gerilim batarya yüksek şarj durumundayken rejeneratif fren çalışmadığı için, elektrikli araç yönetmeliklerine göre rejeneratif fren ile çalışan tamamlayıcı bir sistem bulunmalıdır. Tezde, tamamlayıcı system olarak girdap akım frenleri iki farklı güç aralığında tasarlanmıştır. Bu tasarımların elektrikli makine yapısı, dıştan donen rotorlu ve elektriksel uyartımlı ECB'lerdir. İlk tasarım, dört kutuplu, 1000 dk-1 kritik hız ve maksimum 10 Nm tork değerine sahiptir. Geometrik yapı olarak 70mm dış yarıçapa, 2 mm hava boşluğuna ve 2mm iletken disk kalınlığına sahiptir. Çekirdek malzemesi ve iletken disk için sırasıyla çelik 1010 ve alüminyum seçilmiştir. İkinci tasarımın altı kutbu var, 950 dk-1 kritik hız, maksimum 2600 Nm tork. 134 mm dış yarıçapa, 1,5 mm hava boşluğu ve 1,5 mm iletken disk kalınlığına sahiptir. Çelik 1010 ve alüminyum alaşımı 220 sırasıyla çekirdek malzemesi ve iletken disk için seçilmiştir. Tasarımda manyetik eşdeğer devre bazlı analitik hesaplamalar yapıldı. Tasarımın termal karakteristiğini analiz etmek için analitik hesaplamalar yapıldı. Disk malzemesinin etkisini araştırmak için, kutup aralığı oranı, kutup sayısı, disk kalınlığı, fren torku üzerindeki hava boşluğu, sonlu elemanlar analizi (FEA) geliştirildi. Önerilen fren tasarımı geleneksel frenin aksine düşük tepki süresine, sürtünmesiz ve daha uzun omurlu bir yapıya sahiptir. Bu fren bakım ve harici besleme gerektirmez. Rejeneratif fren gücü ile elektriksel olarak uyarıldığından; elektrik enerjisi kesilme riski yoktur. Diğer fren çözümlerine kıyasla daha düşük güç yoğunluğuna sahip olsa bile, ağır hizmet araçları (kamyonlar, arazi çekişi vb.) için yer kısıtlaması olmadığından, frenin hacmi ve ağırlığı çok önemli olmayacaktır. Özellikle fren diski frenleme işlemi sırasında dönmekte ve bu da disk üzerinde soğutma etkisi yaratmaktadır. Bu, önerilen tasarımın termal özelliklerinde bir üstünlük sağlar.

With the development of fully electric and hybrid vehicles, drive-by-wire which means that electrically controllable systems, begins to replace mechanical systems recently. Regenerative brake is one of the drive-by-systems. Because regenerative brake cannot operate when battery is in high state of charge, there must be complementary system working with regenerative brake according to electrical vehicle regulations. In the thesis, the complementary eddy current brakes were designed in two different power ranges. Electrical machine structure of these designs are radial flux electrically excited ECBs with rotor out-runner. First design has four poles, 1000 min-1 critical speed, maximum torque of 10 Nm. As its geometric structure, it has 70mm of outer radius, 2mm of air gap and 2mm of conductive disc thickness. Steel 1010 and aluminum are selected for core material and the conductive disc, respectively. Second design has six poles, 950 min-1 critical speed, maximum torque of 2600 Nm. It has 134 mm of outer radius, 1.5 mm of air gap and 1.5 mm of conductive disc thickness. Steel 1010 and aluminum alloy 220 are chosen for core material and conductive disc, respectively. In design, magnetic equivalent circuit based analytical calculations are performed. To analyze thermal characteristic of the design, analytical calculations were made. In order to investigate the effect of disc material, pole pitch ratio, pole number, disc thickness, air gap on brake torque, finite element analysis (FEA) were developed. The proposed brake design has low response time, frictionless and quite working conditions as opposed to the conventional brake. This brake does not require maintenance and external supply. Due to it is electrically excited by regenerative brake power; it has no electrical energy shortage risk. Even if it has lower power density comparing the other brake solutions, it is not significant for heavy duty vehicles (trucks, off-road traction etc). Since there is no space constraint in this type of vehicles, the volume and weight of the brake will not be very important. Especially the brake disc is rotating during braking operation that this added cooling effect on the disk. This provides superiority on thermal feature of the proposed design.