A new multidisciplinary design approach for a novel eddy current electromagnetic brake

Abstract

Girdap akım frenleri (GAF) çoğunlukla DC sargılardan meydana gelmektedir ve içinde sürekli mıknatıs (SM) barındıran GAF konvansiyonel frenlere göre daha fazla frenleme moment yoğunluğuna sahip olduğu açıktır. Ne yazık ki, SM-GAF kontrol dezavantajları mevcuttyr ve bunlar frenleme momenti kontrol etmek için harici bir sisteme ihtiyaç duyarlar. Bu tez kapsamında yeni bir eksenel akılı (EA) sürekli mıknatıs uyartımlı (SMU) GAF topolojisi bu kontrol dezavantajını elimine etmek için önerilmiştir. Önerilen topolojide, mıknatıslar oluk açıklıklarına yerleştirilmiş ve bu sayede frenleme momenti sadece uyartım akımları ile kontrol edilebilir hale gelmiştir. Önerilen yapıda, mıknatıs boyutları çok büyük bir önem arz etmektedir ki eğer doğru mıknatıs boyutları kullanılmazsa, mıknatıs akısı tam anlamıyla kontrol edilemez ve akı verimsiz bir çekilde kullanılır. Bu yüzden, en iyi mıknatıs ve manyetik sistem boyutları belirlenmelidir. Bu tez çalışması kapsamında, çok amaçlı optimizasyon ile en uygun fren tasarım özelliklerinin belirlenmesi gerçekleştirilmiş ve 3 boyutlu sonlu elemanlar analizleri önerilen tasarımı doğrulamak için gerçekleştirilmiştir. Frenleme momenti ve sıcaklık artışının zamana göre değişimini belirlemek için yeni bir doğrusal olmayan çok disiplinli tasarım yaklaşımı GAF için önerilmiştir. Yeni önerilen metot doğrusal olmayan analitik manyetik-termal-yapısal modellemeden oluşmakta ve girdap akım frenlerinin çalışma koşullarını bulmayı amaçlamaktadır. Yeni tasarım yaklaşımı 2 farklı eksenel akılı girdap akım frenine ve tabi ki önerilen eksenel akılı sürekli mıknatıs uyartımlı girdap akım frenine uygulanmıştır. Önerilen yeni frenin prototipi üretilmiş ve laboratuvarda test edilmiştir. Soğuk durum ve sıcak durum testleri yapılmış ve deneysel olarak elde edilen sonuçların önerilen yeni metot ile uyum içerisinde olduğu gözlemlenmiştir.

Eddy current brakes (ECBs) mostly consist of only DC windings and it is certain that ECBs having permanent magnets offer more braking torque density as to conventional topologies. Unfortunately, permanent magnet ECBs have a control drawbacks that they need an external system to control the braking torque. New axial-flux (AF) permanent magnet assisted (PMA) ECB topology is proposed in this thesis to eliminate the control drawbacks. In the proposed topology, magnets are placed into the slot openings in which the size of the magnet becomes very important. If the correct magnet dimensions are not used, magnet flux cannot be fully controlled and flux will be wasted resulting in less breaking torque. Therefore, optimum magnet size as well as the dimensions of the magnetic materials in the magnetic system should be determined. In this thesis, multiobjective optimization is accomplished to find out the optimum brake design parameters and 3-dimensional finite element analyses are performed to validate the optimized design. A new nonlinear multidisciplinary design approach is proposed for ECBs to determine the braking torque and temperature variation in time. The new proposed design method consists of nonlinear analytically coupled magnetic-thermal-structural modeling and it aims to find the working limits of ECBs. The new design approach is applied to 2 different AF-ECBs and also the proposed novel AF-PMA-ECB. Prototype of the proposed ECB is manufactured and tested in the laboratory. The cold-case and hot-case experimental studies are performed, and good agreement between the test data and developed model has been achieved.