Permanent magnets are essential components for many devices such as motors, which currently account for 45 % of global electricity consumption, generators and also superconducting magnetic bearings used for applications such as flywheel energy storage. But even the most powerful rare-earth magnets are limited to a remanent field of 1.4 T, whereas superconducting materials such as YBCO in their bulk form have the extraordinary ability to trap magnetic fields an order of magnitude higher, whilst being very compact. This gives them the potential to increase efficiency and allow significant volume and weight reductions for rotating machines despite the need for cooling. A new design of superconducting magnetic bearing has been developed which uses magnetized bulks as the field source, eliminating permanent magnets. Finite element modelling shows that the bulk – bulk design can achieve much higher force densities than existing permanent magnet – bulk designs, giving it potential to be used as a compact magnetic bearing. A system was created to magnetize bulks using a pulsed magnetic field down to 10 K and then measure levitation force. In proving the concept of the proposed design, the highest levitation forces ever reported between two superconducting bulks were measured, including a levitation force of 500 N between a 1.7 T magnetized YBCO bulk and a coaxial $MgB_{2}$ bulk tube. The biggest factor limiting the use of magnetized bulks in applications is magnetizing them in the first place. Using a pulsed magnetic field is most practical but generates excessive heat dissipation leading to a loss of flux in conventional bulk superconductors, which are 100% superconductor. Although multi-pulse techniques help maximise the trapped field, the poor thermal properties of bulk (RE)BCO are a limiting factor. New composite superconducting structures are reported which can overcome these problems by using high thermal conductivity materials, the motivation for which came from finite element modelling of the critical state coupled with heat transfer. In particular, composite structures created by cutting and stacking 12 mm wide (RE)BCO superconducting tape are shown experimentally to have exceptional field trapping ability due to superior thermal and mechanical properties compared to existing bulks. Up to 2 T was trapped in a stack of commercially available tape produced by SuperPower Inc. in the first reported pulsed magnetization of such a stack. Over 7 T was trapped between two stacks using field cooling at 4.2 K, the highest field yet trapped in such a sample.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22114号 / 理博第4541号 / 新制||理||1652(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 寺西 利治, 教授 島川 祐一, 教授 若宮 淳志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

In diesem Beitrag wird der Einfluss der Formfreiheit von gespritzten kunststoffgebundenen Permanentmagneten (PM) auf die Parameter eines Memory Motors, einer neuartigen Motortopologie, die es ermöglicht den PM-Fluss mit kurzen Stromimpulsen zu regeln. Mithilfe numerischer FEM-Simulationen einer in der Literatur vorgeschlagenen Memory Motor Topologie wurde demonstriert, dass der Einsatz der Magnete mit komplexer Form eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit ermöglicht.

The goal of this diploma work is to design a control for permanent magnet synchronous motor in sliding mode. The introduction describes a synchronous motor, sensors which are used in the control process as well as power devices. Further, there is description of mathematical model for the synchronous motor. Another part of the diploma work deals with classic vector control for this kind of motor followed by the sliding mode control for the motor. At the end, there is presented an algorithm which has been implemented in the processor designed for this equipment. All the controllers used in the equipment have been tested on motor simulations. In conclusion, there is a target analysis and facts finding.

The submitted Master’s thesis deals with the general principle of the electric drives’ functioning and with the construction of a synchronous electric motor. A comparison of a linear drive and a rotary drive with rack and pinion system is provided, as well as an overview of common type linear drives. A mathematical model of a rotary synchronous motor, the Clark’s and Park’s transformation and the principle of vector control is explained. A method of the linear parameters’ conversion to the rotary equivalents is demonstrated. A block diagram to motor control is designed. The control quality is tested by various criteria. Lastly, there is a simulation provided on how the changes of motor’s parameters affect the control quality.

Following the trends to diminish the fossil fuel energy production new technologies known for their renewable sources have become a signficant option for helping combat climate change and handle the current oil prices. These new technologies base their power production on already established physical principles that convert mechanical power to electrical power. Generators are the fundamental piece of machinery for electricity production. Among the various types of generators that exist, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are commonly used for renewable electricity production. At present, the most used magnets for PMSGs are alloys of neodymium, iron, and boron which form a tetragonal crystalline structure known as Neodymium magnets (NdFeB). These types of magnets contain rare-earth materials, which makes them highly non-sustainable materials. Research to find new magnet compositions to substitute rare earth magnets or to reduce the weight and increase the efficiency of PMSGs is currently being studied. One option is to use Alnico magnets. This thesis project explores this option. With the help of a finite element analysis (FEA) software (COMSOL Multiphysics), three types of Alnico grades 5, 8 and 9 were implemented in the rotor of a spoke type generator to study the load limits of the rotor magnets, and together with this observe the demagnetization and impact that it has on the power production of the generator, in two different scenarios: 1) When the generator is connected to a nominal load under normal conditions and 2) when the generator is connected to a nominal load after a short circuit (SC). The simulations provided an insight into the load limitations that the generator has by each type of Alnico studied. Alnico 9 showed to be the best candidate magnet from the three magnets implemented with less demagnetization and higher electrical power output, followed by Alnico 8, which presented a good electrical power output at the nominal load scenario. Regardless of the higher demagnetization of Alnico 5, it proved to be a better candidate than Alnico 8 at the SC scenario.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

The diplomatic thesis will describe the principle functions of synchronous motors with permanent magnets, for therein analysis of PMSM and BLDC motors. We will make calculation of the required parameters from the power unit for glider Discus 2. We will create a design of BLDC and PMSM motor from specified parameters. Features of the proposed engines will be verified with the help of the programs FEMM, RMxprt, Maxwell. At the end of the work will make conclusion about the diplamatic project and diffrences between PMSM and BLDC motor.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

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