Studententeams TU Delft ontwikkelen volgende generatie motoren en aandrijvingen

Steeds meer mensen gaan een elektrische auto rijden om bij te dragen aan een duurzamere wereld. Aangejaagd door een aanzienlijke aanschafsubsidie groeide de verkoop van elektrische personenauto’s in de eerste helft van 2022 met bijna 83 procent, vergeleken met dezelfde periode in 2021. Door innovaties van de motoren, accu’s en gewichtsbesparingen zijn de prestaties van elektrische auto’s de komende jaren nog aanzienlijk te verbeteren. Studententeams van de Technische Universiteit Delft werken elk jaar aan het ontwikkelen en verbeteren van de motoren en aandrijving voor onze toekomstige mobiliteit.

Het Brunel Solar Team heeft dit jaar bijvoorbeeld een compleet nieuwe elektrische motor ontwikkeld voor de Nuna 11s zonneauto. Daarmee willen ze de Sasol Solar Challenge gaan winnen, die van 9 tot 16 september wordt verreden in Zuid-Afrika. "Wij hebben voor de terrein- en weersomstandigheden in Zuid-Afrika de meest krachtige allround motoren nodig, vertelt Laurens de Boer, Mechanical&Structural-engineer van het team. "Daarop lag dit jaar voor ons een belangrijke focus tijdens de ontwerp- en engineeringfase. Om alle elektrische en mechanische onderdelen zo goed mogelijk op elkaar af te stemmen hebben wij met behulp van CATIA op het 3DEXPERIENCE-platform van Dassault Systèmes onze nieuwe motor ontwikkeld. Deze zogeheten direct drive double air gap-motor levert mede dankzij een nieuwe spoelconfiguratie aanzienlijk meer vermogen per kilogram in vergelijking met onze vorige motor. Verder is ook nog onze accu de helft lichter van gewicht dan de vorige versie en de efficiency van onze zonnepanelen geoptimaliseerd."

Multidisciplinair en iteratief

"Zelf heb ik het motorontwerp parametrisch opgezet met de design, assembly en surface workbenches van CATIA, om zo flexibel mogelijk te kunnen anticiperen op vrijwel dagelijkse veranderingen van het elektrische ontwerp", vervolgt de Boer. "Dat parametrische ontwerp en het feit dat wij multidisciplinair iteratief konden samenwerken aan hetzelfde ontwerpmodel op het 3DEXPERIENCE-platform heeft ons enorm veel tijd bespaard. Als student luchtvaart- en ruimtevaarttechniek heb ik al eerder met CATIA ontworpen, maar nu pas echt de voordelen van multidisciplinair in realtime samenwerken ervaren zoals dat ook in het bedrijfsleven gebeurd. Verder heb ik geholpen om de nieuwe motoren en remmen te integreren in de wielen, wat door minimale toleranties ook een ontwerp- en engineeringuitdaging was." De nieuwe motor en aansturing die het Brunel Solar Team heeft ontwikkeld voor de Nuna 11s zijn innovaties die ook interessant kunnen zijn voor de volgende generatie elektrische personenauto's.

De direct drive double air gap' motor van de Nuna 11s levert mede dankzij een nieuwe spoelconfiguratie aanzienlijk meer vermogen per kilogram dan de vorige motor. 

Onder in plaats van boven de rails

Ook het Delft Hyperloop -studententeam werkt hard aan het innoveren van onze toekomstige mobiliteit. Met een transportoplossing vergelijkbaar met de buizenpost, waarmee op termijn mensen en goederen met ruim 1.000 kilometer per uur te vervoeren moeten zijn. In 2017 heeft het Delftse team daarvoor al de Hyperloop Pod Competition van Elon Musk gewonnen op het gebied van ontwerp en performance. Omdat Musk te druk is met andere activiteiten, heeft de TU Delft in juli de European Hyperloop Week georganiseerd in Delft en Hilversum.

Delft Hyperloop heeft dit jaar de ‘Complete Pod Design Award' in de wacht gesleept, mede dankzij een nieuw ontwikkelde lineaire aandrijving.

"Wij hebben dit keer de radicale keuze gemaakt om onze pod met behulp van elektromagneten onder een rails te laten zweven, in plaats van toe nu toe zwevend boven de rails", vertelt mechanical engineer Eliot Watson. "Onder andere omdat daarmee eenvoudiger wissels te passeren zijn. Verder hebben wij de levitatie verbeterd en een linear synchronous motor (LSM) drive system ontwikkeld om zowel de wedstrijd met andere teams te kunnen winnen als een beter te implementeren oplossing te creëren."

Radicale ontwerpkeuze: de pod van Delft Hyperloop zweeft met behulp van elektromagneten onder in plaats boven de rails. 

Echte Hyperloop-implementatie

Daar zijn ze zeker in geslaagd want op 24 juli kreeg het team op de Grote Markt in Delft de Complete Pod Design Award uitgereikt voor het beste totaalsysteem. "Het is een geweldige prestatie en beloning voor al het harde werk van afgelopen jaar. Op deze prijs hebben we onze ogen gericht, omdat dit toch echt het totaalplaatje van de hyperloop omvat" zegt Thijs Bolscher, projectmanager van Delft Hyperloop.
"Wij hebben de Helios I vanaf het eerste conceptidee ontworpen met CATIA op het 3DEXPERIENCE- platform", aldus Watson. "De wijze waarop je daarmee interactief multidisciplinair kunt samenwerken stelt ons team in staat om in een korte tijd innovaties te ontwerpen, te engineeren en te produceren. Vanuit CATIA kunnen wij namelijk gemakkelijk en snel onderdelen exporteren naar onze 3D-printer. Verder vereenvoudigen de visualisatiefuncties op het 3DEXPERIENCE-platform de communicatie tussen alle teamleden en andere projectbetrokkenen. Met onze nieuwe linear synchronous motor halen wij een acceleratie van maar liefst 1g. Verder is het koelingsysteem met de nieuwe motor geïntegreerd en hebben wij het regeneratieve remsysteem verbeterd". Behalve de verbeterde pod heeft het Delftse studententeam ook twee uitgebreide rapporten geschreven voor de volgende stap richting een echte Hyperloop-implementatie als alternatief voor een auto-, trein- en vliegreis binnen Europa.

Lopen met verbeterde dronemotoren

Een ander Delfts studententeam heeft het afgelopen jaar gewerkt aan het verbeteren van een exoskelet om mensen met een dwarslaesie in staat te stellen zelfstandig te lopen. Het nieuwe ontwerp is eind augustus gepresenteerd én gedemonstreerd door Koen van Zeeland. Lieke Roelofs, teammanager van Project MARCH VII vertelt: "Omdat de Cybathlonwedstrijd waaraan wij tot nu toe deelnamen dit jaar niet doorging hebben wij de focus verlegd naar het optimaliseren van ons exoskelet voor dagelijks gebruik. Dan wil je er ook mee naar buiten en krijg je te maken met meer verschillende ondergronden en onbekende obstakels en hellingen, dan bij een geconditioneerde Cybathlon in een sportzaal. Buiten wordt elke stap anders. Wij hebben daarop ingespeeld met een verbeterd enkelontwerp, de compactste elektromotoren en algoritmen die elke stap aansturen via opnames van dieptecamera's. Als basis voor de stapsgewijze exoskeletbesturing hebben wij dronemotoren gebruikt omdat het de meest compact leverbare zijn. Verder hebben wij het zelfstandig kunnen aantrekken van het exoskelet eenvoudiger gemaakt met vast te klikken schoenen."

Koen van Zeeland met zijn nieuwe MARCH VII-exoskelet dat hem in staat stelt weer te lopen. 

Even wennen

Roy Mastboom heeft als engineer meegewerkt aan alle verbeteringen van het MARCH-exoskelet: "het uitgangspunt was de hardware en software optimaal op de gebruiker af te stemmen en de besturing te vereenvoudigen. Iemand die een trap wil aflopen heeft bijvoorbeeld maar amper twee centimeter ruimte achter de voet, waardoor alle onderdelen voor de enkel en voet zo compact mogelijk moeten worden ontworpen. Dat doen wij met behulp van CATIA op het 3DEXPERIENCE-platform. Zelf heb ik tijdens mijn opleiding met SOLIDWORKS van Dassault Systèmes leren werken, dus was het even wennen aan de uitgebreide functionaliteit en workbenches van CATIA. Gelukkig konden wij onze vragen bijna 24/7 aan een expert van Dassault Systèmes stellen, die ze snel beantwoordde. Ons ultieme teamdoel is een zelfstandig aan te trekken en zelf balancerend exoskelet voor buitengebruik door mensen met een dwarslaesie te ontwikkelen, maar dat duurt nog wel enkele jaren."

Dit artikel verschijnt 16 september in print, in Aandrijven en Besturen 4