Untitled Document
Remmen is vooruitgang
Magneten/David Ernst
Foto/Bram Saeys
Zelfs objecten die lang kwijt gewaand waren, kwamen tevoorschijn
van daar waar al gezocht was en sleepten zich in turbulente verwarring
achter de magische ijzers van Melquiades aan. "Dingen hebben
een eigen leven," proclameerde de zigeuner. "Het is
enkel een kwestie van 't wekken hunner zielen." Een proefschrift
literatuurgeschiedenis op de TU/e? Nee, het openingscitaat (van
virtuoze schrijver Gabriel Garçia Márquez) in het
proefschrift van Funda Sahin waarmee zij de menselijke fascinatie
met de 'magische ijzers' aanstipt. Welkom in de wondere wereld
der magneten.
Al vanaf de eerste dagen sinds de 'uitvinding' van magneten
hebben mensen zich er over verwonderd en talloze toepassingen
ervoor proberen te vinden. Rond 1600 introduceerde William Gilbert
het woord 'elektriciteit' en hij geloofde dat magnetisme een puur
occulte kracht was en had nooit durven dromen dat er machines
zouden komen die elektriciteit kunnen opwekken of gebruiken.
Gelukkig dachten anderen daar later anders over. De 'magische
ijzers', ook wel aangeduid als 'permanente magneten' (PM), werden
uiteindelijk wel gebruikt in elektrische machines.
In een typisch geïndustrialiseerd land vandaag de dag wordt
tussen de helft en tweederde van de elektrische energie geconsumeerd
door elektrische machines. Gegeven dit volume zou zelfs een lichte
toename in de efficiëntie van elektrische aandrijving een
gigantische energie-besparing op globale schaal opleveren. In
deze tijden waarin we steeds meer op de ware betekenis van het
woord 'duurzaamheid' worden gewezen en waarin we ons bewust worden
van de fragiliteit van moeder aarde, is dit een belangrijke opgave
voor wetenschappers. Zo ook voor Funda Sahin. Gisteren verdedigde
ze haar proefschrift 'Design and development of a high-speed axial-flux
permanent-magnet machine'.
Hybride Elektrisch Voertuig
 In de context van energie-besparing bieden
PM-machines hoop door hun grote efficiëntie, hogere krachtsfactor
en hoge krachtdichtheid. Dit zijn de dominante redenen voor hun
snelle opname in elektrische machine-applicaties, die al snel
zouden kunnen leiden tot een niet verrassende en wellicht verdiende
overheersing in het land der elektrische machines. Het proefschrift
van Sahin volgt deze trend, en wel door een echte applicatie die
draait om het zogenaamde concept van de axiale flux-machine. De
axiale flux machines refereren aan een set van verscheidene structuren
die één gemeenschappelijk kenmerk hebben, en wel
het draaien van de flux (dichtheid van een elektrische of magnetische
stroom) met de as mee (axiaal) in plaats van in een radiale richting.
Het gebruik van permanente magneten in combinatie met een axiale-flux
architectuur leidt tot een gecombineerd concept met de fraaie
Scrabblenaam 'axial-flux-permanent-magnet' (AFPM) machines.
Tot zover een gedegen doch ogenschijnlijk theoretisch proefschrift,
maar de elektrische machine-applicatie van Sahin is niet hypothetisch
maar ingebed in een bestaand hybride elektrisch voertuig (HEV).
De HEV is wellicht hét vervoersmiddel van de toekomst en
als wij al lang en breed in bejaardentehuizen zitten, zullen we
de bingo-avond in dat andere bejaardentehuis in het noorden van
de stad wellicht bezoeken met onze eigen HEV. Sahin legt uit:
"De consumptie van brandstof leidt tot vervuilingsproblemen
op aarde door de uitstoot van CO2. Een mogelijke oplossing ligt
in volledig elektrische voertuigen met batterijen en een daardoor
aangedreven motor. Er zijn echter nog steeds problemen met batterijen
voor deze zogenoemde pure electric vehicles. De HEV-applicatie
echter (waarop een Europees patent ligt) incorporeert beide systemen:
zowel een motorbatterij als een verbrandingsmotor zoals in een
normale wagen. Het idee achter dit proefschrift is het ontwerp
van een machine met zowel motor als opwek-krachten. Wanneer je
van een heuvel afrijdt met een wagen en je remt, komt er kinetische
energie vrij. De motor in dit ontwerp werkt dan als een generator
in omgekeerde richting en laadt de batterij weer op. Je hoeft
dus niet met je wagen naar een punt (batterijstation) toe te gaan
om je batterijen weer op te laden."
In Japan worden betrekkelijk veel HEV's verkocht, en hier in Eindhoven
was vorig jaar een experiment met een HEV-bus. Op de vraag of
deze ontwikkelingen misschien tegen worden gehouden door de 'fossiele'
brandstofmaatschappijen, antwoordt ze dat ze dat eerst ook dacht,
maar er liggen eerder andere economische redenen aan ten grondslag.
"De HEV's zijn Japanse fabricaten, maar door de hoge invoerbelasting
op wagens vanuit Japan wordt het niet echt aantrekkelijk om een
HEV aan te schaffen. Maar ze zullen hier ook komen. De auto-industrie
is aan het veranderen."
Vliegwiel
Cruciaal in de toepassing van een hybride elektrisch voertuig
is de vereiste dat de elektrische machine-structuur waarin de
hoge snelheidsrotor moet worden ingebed, in een vliegwiel moet.
Het principe van een vliegwiel is redelijk simpel: hoe sneller
het vliegwiel roteert, des temeer energie er wordt behouden. De
snelheden van het vliegwiel in het stedelijk en snelweg-verkeer
zijn respectievelijk 7.000 en 16.000 omwentelingen per minuut.
Het totale aandrijfsysteem stelt hoge eisen aan het rendement
van de elektrische machine, en bovendien bepaalt het ontwerp van
het HEV dat de machine, inclusief het statorhuis, voldoende klein
moet worden ontworpen zodat ze past in een cilindrisch volume
van 240 mm diameter en 150 mm hoogte.
Een hoge snelheidsrotor met een vliegwiel krijgt last van luchtweerstand.
Dat drukt de energieoverdracht en dit kun je oplossen door de
luchtdruk te laten dalen, maar dan treedt er een ander probleem
op, namelijk de stijging van de magneet en rotor-temperatuur.
Bijgevolg wordt in het proefschrift een speciaal accent gelegd
op thermische beschouwingen. De thermische problemen ten gevolge
van de hoge snelheid en de gereduceerde inwendige luchtdruk worden
nog verergerd door hoogfrequente wervelstroomverliezen die in
de magneten en het rotorijzer ontstaan. Deze verliezen vormen
bijkomende warmtebronnen voor de magneten.
Een nauwkeurige testbank in E-laag maakte het mogelijk de AFPM-machine
onder variabele condities van belasting en snelheid te testen
en te meten. Ze heeft verscheidene experimenten uitgevoerd, waarbij
de nadruk vooral werd gelegd op de stationaire prestaties en het
thermische gedrag. Natuurlijk kan er verder worden ontwikkeld
en Sahin geeft aan dat men bijvoorbeeld onderzoek kan doen naar
betere materialen voor de statorkern, in het bijzonder de recente
poeder composiet-materialen.
Monetaire crisis
Maar dat is de toekomst van haar onderzoek. Sahins eigen toekomst
ligt weliswaar voorlopig in Eindhoven, maar dan bij Philips, waar
zij zich verder toe zal leggen op het ontwerpen van machines.
Sahin kwam in 1997 in Eindhoven terecht nadat ze in 1996 haar
doctoraal had gehaald aan de Middle East Technical University
of Ankara. Haar man kreeg een baan aangeboden als econoom aan
de Universiteit van Maastricht en Sahin stuurde haar CV op naar
Leuven en Eindhoven. Het eerste jaar was moeilijk en kende veel
aanpassingsproblemen. Het tweede en derde jaar gingen haar goed
af en in het laatste jaar kwam er weer grote druk op de ketel.
Gelukkig heeft ze het altijd goed kunnen vinden met haar begeleider,
professor Vandenput en ze kijkt tevreden terug op de Eindhovense
jaren. Gevraagd naar Elektrotechniek als mannenbolwerk stelt ze
dat in Ankara de relatie man-vrouw nagenoeg fifty-fifty was, maar
hier is dat wel even anders. In de vier jaar dat ze in E-laag
zat, heeft ze welgeteld één vrouwelijke student
gezien. Maar ze had het gelukkige toeval dat de afdeling waar
ze zat, Electromechanics and Power Electronics Group, een ware
overheersing van vrouwen kent. "We hebben hier een Russische,
Duitse, Nederlandse, maar dat is echt de uitzondering op de regel.
Als we naar een seminar of congres gaan, hoor je de mannen vragen
hoe het komt dat deze groep zoveel vrouwen kent."
Het TU/e-hoofdstuk is nu verleden tijd voor haar Ze ziet er naar
uit haar familie uit Turkije weer te zien die op de promotie komt.
Na de hectische tijden die gepaard gaan met promoveren, heeft
ze nu meer tijd om aan andere dingen te denken, zoals bijvoorbeeld
de monetaire crisis die Turkije in haar ban heeft. Op een dag
wakker worden en je inkomsten gehalveerd zien is bepaald geen
sinecure. De realiteit van axiale fluxen is dan wel weer een ver-van-je-bed-show,
maar het leven loopt zoals het loopt./.
|
Untitled Document
Faculteit Elektrotechniek duidelijk
in de lift
Elektrotechniek/Gerard Verhoogt
Foto/Bram Saeys
Het gaat prima met de Faculteit Elektrotechniek. Zo is
de instroom van studenten fors toegenomen en staan er meerdere
grote onderzoeksprojecten op stapel. Terwijl de visitatiecommissie
in 1997 nog vond dat het onderwijs te ouderwets was, studenten
te weinig faciliteiten zouden hebben en het curriculum niet voldeed.
Bovendien waren er vier vacante leerstoelen en de instroom van
studenten was op een dieptepunt beland. Een gesprek hierover met
prof.dr.ir. Wim van Bokhoven, decaan van Elektrotechniek.
"Die gele kaart vonden we, nog steeds, niet helemaal terecht.
Bij de visitatie lagen de drie TU's erg dicht bij elkaar, wij
waren nèt laatste. Hetzelfde verhaal had ook voor andere
TU's kunnen gelden. Tegelijkertijd stonden we wèl bovenaan
in het lijstje van Der Spiegel, net als Werktuigbouwkunde. Ook
de afgelopen twee jaar stonden we in externe waarderingen bovenaan,
al dan niet ex aequo", zegt Van Bokhoven.
 Wat is er allemaal
veranderd?
Van Bokhoven: "In het nieuwe curriculum sluiten theorie en
praktijk veel beter op elkaar aan, de begeleiding van studenten
wordt verbeterd en de practica zijn vervangen door projectwerk
dat ook procentueel een groter aandeel inneemt. Vakken als wiskunde
zijn meer op elektrotechnische toepassingen gericht, dus de faciliteiten
zijn danig geoptimaliseerd. Hadden we in 1996 zestig nieuwe studenten,
vorig jaar waren er dat 120. Dit jaar verwachten we er 130, veel
meer dan bij de andere TU's."
Er was niet één omslagpunt, benadrukt hij: "Er
is tussen '96 en '98 veel geïnvesteerd in de faculteit. Dat
maakt medewerkers enthousiast en dat versterkt elkaar. We investeren
ook financieel. We moeten dit gebouw te zijner tijd verlaten,
desalniettemin verbouwen we vloer 6 nog voor een flink bedrag
voor het Ontwerp Gericht Onderwijs. Dat geldt ook voor goede medewerkers,
die 'grijpen' we en desnoods doen we zelf de voorfinanciering."
Op bestuurlijk vlak is de integratie en communicatie tussen de
leerstoelen en het faculteitsbestuur geïntensiveerd. Dat
betrof vooral functioneringsgesprekken, planning en control, de
interne communicatie en satisfactie van het personeel. Voor performance-indicatoren
doet Elektrotechniek mee aan een pilot waardoor de informatie
van functioneringsgesprekken beter bruikbaar moet worden. Was
er vorig jaar 1,3 miljoen gulden tekort, nu is er een batig saldo
van 100.000 gulden.
De vacante leerstoelen zijn opgevuld en daarnaast is prof.ir.
Ton Koonen aangetrokken, projectleider van BraBant BreedBand (zie
onderaan deze pagina). Koonen is de eerste niet-Amerikaan die
de prestigieuze Fellow onderscheiding kreeg van de Bell Laboratories
van Lucent Technologies. Ter indicatie: vier eerdere laureaten
kregen ooit de Nobelprijs.
Draadloos
Dat Elektrotechniek in de lift zit, blijkt uit vier grote onderzoeksprojecten,
waar veel geld in omgaat en waar veel samenwerkingsverbanden worden
aangegaan, onder meer met grote bedrijven.
Van Bokhoven: "Terwijl de andere TU's geen Elektrische Energietechniek
hebben of zoeken naar een passend perspectief, bloeit Energietechniek
bij ons op. We doen mee aan een innovatief onderzoek programma
van Economische Zaken, die daarvoor vijftien miljoen gulden beschikbaar
heeft gesteld voor de komende vier jaar. Daarin zitten draadloze
energieoverdracht en vermogenselektronica, waarbij we samenwerken
met de TU Delft. Dus naar schatting komt er circa zeven miljoen
gulden onze kant op. Onderdeel hiervan is bijvoorbeeld een ontwikkeling
waardoor je in de toekomst overal draadloos je GSM of andere apparatuur
op kan laden."
In dezelfde IOP-sector heeft Elektrotechniek nog een opdracht
voor Optische Elektronica binnengehaald, goed voor drie miljoen
gulden. Maar EZ komt met nog veel grotere programma's, ICES /KIS,
dat in 2002 start en waar veel geld te verdelen is over acht sectoren.
Over het precieze bedrag beslist het nieuwe kabinet, maar waarschijnlijk
loopt het in de miljarden. Aan twee van de acht sectoren doet
Elektrotechniek mee met projecten voor Elektro Optica en Wireless
in BraBant BreedBand. Ook de faculteiten Scheikundige Technologie,
Technische Natuurkunde en Werktuigbouwkunde doen hieraan mee.
Waarschijnlijk is Elektrotechniek goed voor tien miljoen van het
totaalbedrag.
Singapore
In juni start het BIAS Instituut (Broadband Integrated Antenna
Systems), een samenwerkingsverband van Elektrotechniek, Hollandse
Signaal Apparaten (nu Thales) en TNO. Met de universiteit van
Singapore zijn de faculteiten TM, Werktuigbouwkunde en Elektrotechniek
betrokken bij het Design Technology Institute voor Embedded Signal
Processing.
Wat voor onderzoek wordt daar gedaan?
"Het gaat over de communicatie tussen apparaten en gebruikers
en tussen apparaten onderling. Stel, je komt thuis en via je GSM
gaat automatisch thuis het licht aan, de verwarming staat op jouw
temperatuur en de tv staat op je favoriete zender. Met die ontwikkelingen
en met intelligente signaalbewerking voor audio en video gaan
we ons bezighouden."
Ondanks de rooskleurige toekomst, heeft Van Bokhoven toch wel
een zorg: "We krijgen veel meer inkomsten uit de tweede geldstroom
dan voorheen. Maar om al die projecten te kunnen draaien, hebben
we zo'n dertig AIO's en postdoc's nodig. Die moeten we rekruteren
uit een zeer overspannen arbeidsmarkt. En dat zal niet meevallen."/.
Breedband Campus Netwerk wordt paradepaardje
TU/e
Een van de grotere onderzoekconsortia is BraBant BreedBand
(B4, "Before"). Elektrotechniek werkt daarin samen met
Lucent en KPN als vaste partners. B4 kent drie werkgebieden: flexibele,
breedbandige, optische glasvezelnetwerken; draadloze breedbandige
netwerken en veelzijdige in-huis netwerken. Elk werkgebied kent
drie componenten: fundamenteel onderzoek, toegepast onderzoek
en pilots.
Projectleider namens Elektrotechniek is prof.ir.Ton Koonen: "We
werken aan optische netwerken met zeer hoge transportcapaciteit,
die we uittesten in het LOFAR-project van Astron. Voor dat astronomische
onderzoek in Dwingeloo worden, verspreid over een gebied met een
diameter van 350 kilometer, duizenden antennes geplaatst die metingen
in het heelal doen. Om al die gegevens te verwerken en tot een
eenheid te smeden, heb je een optisch netwerk met een gigantische
capaciteit nodig: onze hogesnelheidstechniek en glasvezelkabels,
die we ontwikkelen met Lucent en KPN."
Het tweede B4 project Radio@Hand (draadloze breedband netwerken
en diensten), moet de opvolger opleveren van UMTS en de huidige
draadloze LAN-netwerken. Haalt UMTS twee megabit per seconde,
dat moet twintig megabit worden. Naast de vaste partners participeren
Philips en Agere Systems.
Koonen: "Hogere snelheden vragen om draadloze cellen met
een zeer grote capaciteit. Dan heb je kleinere cellen nodig, waarvoor
je de radiocapaciteit goed moet kunnen plannen en dynamisch moet
kunnen instellen. Daarvoor gebruiken we optische vezels voor het
transport van de radiosignalen. Of je gebruikt draadloze verbindingen
met infrarood-bundels, zoals we nu al tussen gebouwen gebruiken,
maar dan veel preciezer."
Scoren
Het project Breedband Campus Netwerk, met draadloze LAN technieken,
moet het paradepaardje van de TU/e worden. Laptops worden in de
toekomst draadloos en alle netwerkverbindingen verdwijnen. Elke
groep studenten in een collegezaal krijgt een eigen signaal, heel
secuur gestuurd, bij honderd megabit per seconde, tegenover nu
tien megabit voor de hele collegezaal. Dan kan er didactisch veel
meer: video's doorsturen of grote, visuele bewerkingen doen, die
je tijdens het college meteen doorstuurt of nakijkt."
In april zijn de subsidieverzoeken ingediend en met Philips wordt
gepraat over volledige deelname. Daarnaast wordt nog met JDS Uniphase,
een multinational op het gebied van de optische componenten, onderhandeld
over deelname.
Koonen: "KPN en Lucent hebben het momenteel moeilijk, maar
hebben beiden hun fiat gegeven."
Ook de huisvesting in E-Laag is nog niet klaar. De bewoners daarvan
gaan naar het Energiegebouw, dat nog moet worden gerenoveerd.
Koonen: "Dan zijn we zo'n twee jaar verder. Zo lang wilden
we niet wachten, dus we zijn alvast gestart in E-Hoog. En de contractbesprekingen
over de intellectuele-eigendomsrechten moeten we nog afronden.
Maar ik ben heel blij dat de TU/e met de industrie dit soort lange-termijn
projecten weer oppakt. Juist dit soort onderzoek loopt namelijk
gevaar omdat de industrie in een voor hen moeilijke tijd zit,
snel moet scoren op de beurs."/.
|
