Design of the Near-Sonic Double-Sided Linear Induction Motor for the Hyperloop Propulsion System

Abstract

Målet med denne oppgaven er å undersøke ytelsen til en dobbeltsidig lineær induksjonsmotor (DSLIM) for applikasjoner som Hyperloop transportsystem. To typer modelldesign for COMSOL Multiphysics ble gitt i begynnelsen av denne oppgaven, mens to ytterligere modifiserte versjoner ble inkludert i etterkant. Modellene besto av en tannløs design, forskjellige størrelser, jernfri og en generell design med tenner. En grundig litteraturgjennomgang ble utført for å finne andre beregningsmetoder og resultater for DSLIMs og lineære induksjonsmotorer (LIMs). Fra denne litteraturgjennomgangen ble det funnet en enkel analysemetode for beregning av DSLIM-ytelsen, som også ble innlemmet i denne oppgaven.

Resultatene for den analysemetoden ble beregnet i det numeriske programmet MATLAB, mens de detaljerte ytelsesresultatene ble funnet ved bruk av finite element simulerings programmet COMSOL Multiphysics. Disse resultatene var hovedsakelig effektiviteten, effektfaktoren, skyvekraften og den totale ytelsen (effektfaktoren multiplisert med effektiviteten). De valgte resultatene ble håndplukket for hver kombinasjon for frekvens og hastighet som tilsvarte høyest effektivitet. For analysemetoden ble glid og spenning hentet fra en av modellene og brukt slik at en sammenligning mellom COMSOL og analysemetoden kunne utføres.

De tannløse modellene viste den beste ytelsen for høy hastighet og frekvens, som Hyperloop skal operere ved. Imidlertid produserte disse modellene lav trykkraft selv med høyere inngangsstrøm. Modellen med tenner produserte vesentlig høyere trykkraft, men etter hvert som hastigheten og frekvensen økte, reduserte trykkraften eksponentielt. Modeller som var større i skala og hadde rimelig strømtetthet med inngangsstrømmen, presterte generelt bedre. Det bestemmes at en modell med rimelig spalteområde, rimelig størrelse og tenner vil gi den beste ytelsen generelt. Fremtidig designoptimalisering kan utføres for å oppnå ytterligere forbedringer for ønsket DSLIM.

Den analytiske metoden ga ikke konsistente resultater i henhold til hva COMSOL ga, hvor avviket var mellom 1 \% og opptil 70 \%, spesielt for trykkraften. Imidlertid gir denne metoden en grov estimering som kan validere ytelsen til en DSLIM til en viss grad og som en innspill til den foreløpige parametriske analysen.

The aim of this thesis is to investigate the performance of a double-sided linear induction motor (DSLIM) for applications such as the Hyperloop transportation system. Two types of model design for COMSOL Multiphysics were provided at the start of this thesis, while two additional modified versions were included afterward. The models consisted of a toothless design, different sizes, ironless, and a general design with teeth. A thorough literature review was performed to find other calculation methods and results for DSLIMs and linear induction motors (LIMs). From this literature review, a simple analytical method for calculating the DSLIM performance was found, which was also incorporated in this thesis.

The results for the analytical method were calculated in the MATLAB numerical environment, while the detailed performance results were found for by finite element simulation in the COMSOL Multiphysics environment. These results were mainly the efficiency, the power factor, the thrust force, and the total performance (power factor multiplied with efficiency ). The selected results were handpicked for each combination for frequency and speed that corresponded to the highest efficiency. For the analytical method, slip, and voltage was extracted from one of the models and used so that a comparison between COMSOL and the analytical method could be performed.

The toothless models showed the best performance for high velocity and frequency, which Hyperloop is supposed to operate. However, these models produced low thrust force even with the higher input current. The model with teeth produced substantially higher thrust force, but as the velocity and frequency increased, the thrust force exponentially decreased. Models that were larger in scale and had reasonable current density with the input current performed overall better. It is determined that a model with reasonable slot area, reasonable size, and teeth would provide the overall best performance. Future design optimization can be performed to obtain further improvements for the desired DSLIM.

The analytical method did not provide consistent results according to what COMSOL provided, where the deviation was between 1% and up to 70%, especially for the thrust force. However, this method provides a rough estimation that can validate the performance of a DSLIM to some degree and as an input to the preliminary parametric analysis.