Design, analysis and prototyping of a coreless axial flux machine with Halbach magnet arrays

Abstract

Das Thema Elektromobilität im Sinne des urbanen, individuellen Transports von Personen und Gütern wird in den nächsten Jahren neu geschrieben werden. Kompakte, batterie-elektrische Fahrzeuge werden als gute Möglichkeit gesehen, um den lokalen CO2 Ausstoß zu verringern, die Luftqualität zu verbessern sowie den notwendingen Parkraum optimal auszunutzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine möglichst effiziente Alternative zu herkömmlichen elektrischen Traktionsantrieben für kleine Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen. Die Verwendung von Radnabenantrieben erhöht die Freiheitsgrade für ein späteres Fahrzeugdesign beträchtlich, daher werden im ersten Teil der Arbeit die Vorteile dieser Antriebstopologie beschrieben und eine besonders vielversprechende Maschinenvariante, die eisenlosen Axialflusstopologie mit beidseitigen Magnetringen, analytisch berechnet. Den Ausgangspunkt bilden Berechnungen der Fahrwiderstände, um die Zieldaten der Maschine festzulegen, während praktische Überlegungen zur Beschaffung und Herstellung das Design Schritt für Schritt eingrenzen und schlussendlich festlegen. Abschließend werden noch erste Ergebnisse aus der Strömungsmechanik und der Festigkeitsberechnung gezeigt, die von den Projektpartner mit den Randbedingungen aus der Designstudie durchgeführt wurden. Eine Erkenntnis während der analytischen Auslegung des elektromechanischen Verhaltens war, dass die verwendeten sogenannten Halbach Magnetsysteme nur bedingt analytisch beschreibbar sind. Daher wurde ein Finite Elemente Programm verwendet, um ua. die temperaturabhänigen magnetischen Felder zu berechnen. Es konnte gezeigt werden, dass es durch die spezielle Anordnung von Hochenergiemagneten in manchen Bereichen zur Demagnetisierung kommt. Die maximale Arbeitstemperatur wird dadurch wesentlich herabgesetzt und muss in der Materialauswahl berücksichtigt werden. Die Leistungsfähigkeit der Maschine sowie Studien sowohl zur Vereinfachung der Fertigung als auch zur Kostenreduktion in der Prototypphase wurde mittels 3D Finite Elemente Analysen durchgeführt. Die analytischen Berechnungen wurden bestätigt und entsprechnende Vorkehrungen für die Fertigung der Prototypen durchgeführt. Die Fertigung einzelner Funktionsmuster war ein integraler Bestandteil dieser Arbeit, da sowohl im Bereich der tragenden Wicklungsstrukturen als auch in der Herstellung von Magnetsystemen kaum auf Erfahrungswerte zugegriffen werden konnte. Neben der Herstellung von linearen Magnetsystemen zur Vermessung und Bestätigung des erhöhten Demagnetiserungseffekts wurden eine Reihe von vergossenen Spulenfunktionsmustern hergestellt, um das geplante Design fertigungstechnisch absichern zu können. Schlussendlich wurden mehrere Prototypen umgesetzt und die wesentlichen Fertigungsschritte dokumentiert. Die Beschreibung des Messaufbaus sowie der einzelnen Messungen zu Validierung des Designs bilden den Abschluss der Arbeit.

In the near future, electric mobility will play an important role for urban, individual transport of people and goods. Compact, battery-electric driven vehicles are expected to be a good solution for reducing carbon emissions, improving the air quality and saving valuable parking space. The aim of the present work is to provide an efficient alternative to conventional electric traction motors for small vehicles. The use of wheel hub drives increase the degrees of freedom for future vehicle design considerably. Therefore, the work describes the advantages of this drive topology in the first part and a particularly promising machine design, i.e.\ the ironless axial flux machine with double-sided magnetic rings, is analyzed analytically. The starting point are driving resistance calculations in order to define the target performance of the machine. Practical considerations for procurement and production were taken into account of each step of the design. Finally, first results from aerodynamics and mechanical engineering are shown, which were carried out with the boundary conditions computed in this design study. Since the analytical interpretation of the electromechanical behavior of the so-called Halbach magnet array is a difficult task, some magnetic effects are stuied numerically only. Therefore, a finite element software is used to compute the magnetic field based on temperature-dependent material properties. It is shown that the special arrangement of high-performance magnets causes demagnetization in some volume sections of the magnetic circuit. This effect limits the maximum working temperature substantially, which must be considered for material selection. The performance of the machine as well as possibilities to simplify the manufacturing process and to curb costs in the prototype phase were studied based on 3D finite element analyzes. The production of individual components was an integral part of this work, since none of the project partners had experience in producing encapsulated windings or Halbach magnet arrays. In addition to the manufacturing of linear magnetic arrays to measure and confirm a so-called augmented demagnetization effect, a series of functional models of molded coils was created to prove the manufacturing concept of the proposed design. Finally, prototypes were manufactured and each step of the production process was documented. The description of the measurement setup, validations and an outlook conclude this thesis.