Numerical analysis of Berdut linear electric motor for train propulsion

Abstract

This thesis investigates the performance of the Berdut linear motor for use in the propulsion of trains. This motor is part of a novel technology that uses an array of permanent magnets and iron-based materials in the stator combined with coils in the moving part that offer a simple and low-cost solution for transportation systems. Several topologies were considered, in order to gain a better understanding of the potential use of the technology for the propulsion of trains. The direction of permanent magnets and number of rails were modified from existing Berdut motors. The coils polarity switching was varied in an innovative effort to decrease power consumption and therefore increase efficiency. In order to model and analyze the motor, finite element simulations were run. A total of seven different topologies were assessed. Results from model options explored indicate that the topology titled: One single rail with a common nucleus was the best in terms of thrust force and the topologies titled: Out-of-phase and In-phase switching without irons offered superior performance in terms of efficiency when compared with the Berdut classic pole. In addition, the motors are more efficient with less coil turns in the moving part. Others studies were the effect of time step, mesh size and ripple.

Esta tesis investiga el desempeño del motor lineal de Berdut, usando el mismo para propulsión en trenes. Este motor es parte de una tecnología novedosa que utiliza un arreglo de imanes permanentes y materiales ferrosos en el estator combinado con bobinas en la parte móvil, el cual ofrece una solución simple y de bajo costo para sistemas de transportación. Para obtener un mejor entendimiento de la tecnología de motores lineales Berdut y su aplicación a la propulsión de trenes varias topologías fueron consideradas, en las cuales la dirección de los imanes permanentes y el número de vías fueron modificadas en comparación con los motores de Berdut existentes. El cambio en la señal impartida a las bobinas siguió un esfuerzo innovador para disminuir el consumo y por lo tanto aumentar la eficiencia. Para analizar el motor, se usaron simulaciones en elemento finito. Un total de siete configuraciones fueron evaluadas. Los resultados mostraron que la topología con el núcleo en común producía la mayor fuerza de empuje. Además, las dos configuraciones sin material ferroso entre los imanes en el estator obtuvo la más alta eficiencia. Al compararlos entonces con el motor que utiliza el polo clásico de Berdut se puede apreciar que estas configuraciones tienen mejor desempeño. En adición, se descubrió que los motores son más eficientes cuando sus bobinas tienen el menor número de vueltas.