Wie iedere werkdag met zijn auto de TU/e-campus oprijdt, wordt vanaf de slagboom tot aan zijn werkplek zonder pardon wakker geschud achter het stuur. Goed voor de baas, slecht voor het humeur. Maar het opknappen van de aftandse straten die over de Eindhovense campus leiden, zal wellicht niet meer nodig zijn. Binnen vijf tot tien jaar zullen nieuwe auto’s zodanig geveerd en afgesteld zijn, dat ze moeiteloos over de universitaire stormbanen glijden. Tenminste, als ze zijn uitgerust met elektromagnetische ophanging. Nu nog toekomstmuziek, maar niet voor heel lang, denkt de Roemeense promovendus Laurenţiu Encică. De onderzoeker uit Boekarest vermoedt dat door de opkomst van hybride en elektrische auto’s deze revolutionaire ophanging snel dichterbij komt.

Voor een doorsnee auto is de elektromagnetische ophanging (EO) op dit moment namelijk een brug te ver. Simpelweg omdat die nog te veel energie verbruikt. Met een grotere accucapaciteit of dynamo zou het probleem wellicht te verhelpen zijn, zegt Encică. Maar dan nog. Op dit moment bestaan er geen hoog dynamische kleine EO-systemen die moeiteloos onder een auto passen.

Tijdens de rondleiding door het EPE-laboratorium eindigt Encică bij zijn prototype. Een elektromagnetische ophanging van het formaat waar de zwaarste DAF-truck de hik van zou krijgen. Een grote glimmende cilinder, ongeveer tachtig centimeter lang en met een doorsnee van twintig centimeter. Deze ontstond door een optimalisatie routine die gebruikmaakt van zowel een snel maar relatief onnauwkeurig vereenvoudigd fysisch georiënteerd model, en een langzaam, maar nauwkeurig model. Om de verschillen tussen beide modellen te onderzoeken en te verkleinen gebruikte Encică geen draaibank, frees of lasapparaat, maar een wiskundig algoritme.

Dit algoritme is gebaseerd op de space mapping techniek, waar de uiteindelijke optimalisatie gebeurt door gebruik te maken van het snelle model. Af en toe wordt het nauwkeurige model aangeroepen om het onnauwkeurige model te corrigeren. Het metalen prototype wordt zo als het ware gebeeldhouwd uit wiskundige calculaties. Dit gebeurde in samenwerking met David Echeverría van het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam, die de methode wiskundig onderbouwde en een variant introduceerde.

Aan het begin van zijn onderzoek laat Encică de conventionele veer ongemoeid en vervangt hij alleen de schokbreker. In plaats daarvan komt een cilindervormige permanente magneten actuator. De ‘hybride’ combinatie die ontstaat, is een direct implementeerbare actieve vervanging van de passieve ophanging die gewoonlijk chassis en wielen verbindt. Op dit moment wordt dit werk voortgezet en geïmplementeerd in een voertuig in de EPE-groep door een vanuit industrie gesponsorde promovendus.

Gesterkt door deze eerste exercitie, zoekt Laurenţiu naar een energiezuinige ophanging. Daartoe haalt hij alle conventionele mechanische onderdelen weg. Ook de veer. De passieve permanente magneten worden in een bepaalde configuratie geplaatst met ijzer, waardoor er een passieve veerkarakteristiek ontstaat. Deze magnetische veer wordt ook nog bijgestaan door elektromagneten die direct reageren op veranderende omstandigheden. Het passieve principe van deze EO is voornamelijk gebaseerd op kleefkrachten van de permanente magneten ten opzichte van ijzeren polen. Vergelijkbare kleefkoppels openbaren zich ook in een permanente magneet motor. Wie met de blote hand aan de as van deze motoren draait, voelt een weerstand of kleefkracht naargelang de tanden van het anker worden verplaatst ten opzichte van de omliggende stator die het magnetische veld vormt. Alsof het loopveld binnenin vol ribbels zit. In zijn proefschrift omschrijft de promovendus dit als ‘cogging force’ of kleefkracht.

Encică buigt de cirkel van een motor als het ware open en plaatst rotor en stator tegenover elkaar in een verticale lijn. Daarna is het -grofweg gezegd- zoeken naar de juiste verhoudingen tussen magneten en ijzer om zo passieve op- en neerwaartse krachten te manipuleren.

De eerder genoemde passieve ‘kleefkracht’ vormt echter een probleem, want het geeft alleen maar een veerkarakteristiek en resulteert dus niet in een effen en gladde vering. Encică introduceert daarom elektromagnetische spoelen die in kleine paartjes zijn opgedeeld en razend snel van plus- en minpool kunnen schakelen. De ophanging verandert zo op vloeibare wijze van stug naar soepel. En omgekeerd. Om de juiste verhoudingen en de optimale afstelling te vinden, gebruikt Encică wiskundige algoritmes. Het leidt uiteindelijk tot een ‘proof of principle’-prototype ELMASP (electromagnetic spring) dat uitvoerig is getest en goed bevonden.

Het principe van de EO werkt. Maar zoals in de rest van de wereld, draait het ook in de automobielindustrie om geld. En de marges in de branche zijn zo klein dat een kostenbesparing van een paar cent het verschil tussen top en flop kan maken. De conventionele veer en schokdemper zijn relatief goedkoop en worden massaal gebruikt. Pas in het duurdere segment wordt een semi-actieve ophanging als optie aangeboden en slechts een enkel topmodel is standaard uitgerust met actieve hydraulische of pneumatische systemen. Maar behalve prijzig zijn ze vaak erg traag. Bij sterk wisselende omstandigheden reageren ze niet snel genoeg. De meestal gebruikte vloeistoffen zijn bovendien zwaar toxisch.
“Mijn onderzoek toont aan dat permanente magneten, mits juist gepositioneerd ten opzichte van ijzer, goed functioneren en zonder energie te verbruiken een auto te kunnen dragen. Deze passieve ophanging kan in dezelfde cilinder worden aangevuld met elektromagnetische spoelen die continu actief zijn om dynamische krachten zoals hobbels, gaten en bochtenwerk op te vangen. Ze vullen het systeem aan tot een volledig actieve ophanging die veel sneller reageert dan bestaande systemen.”

Nu de toepassing is gevalideerd, ligt de grootste uitdaging in het ontwerp van de EO. Kleiner is de grote wens, maar dat brengt nadelen met zich mee. Moderne magneten mogen dan wel zeer krachtig zijn, de krachtdichtheid is nog steeds afhankelijk van hun omvang en de nabijheid van ijzer. Een tweede probleem zijn de wisselende elektromagnetische spoelen, waar een voorkeur bestaat om dit te vervangen door constante elektromagnetische spoelen die door een gelijkstroom gevoed worden.

Encică heeft dus nog genoeg hordes te nemen, maar vindt dat geen bezwaar. Hij voelt zich erg thuis in Eindhoven en bij de faculteit Elektrotechniek. De enige terugslag tijdens zijn onderzoek was van persoonlijke aard toen zijn promotor prof.dr.ir. André Vandenput in januari van dit jaar overleed. “Dat was een enorme domper voor iedereen hier in de EPE-groep.”

Encică blijft zeker tot september 2009 aan de TU/e verbonden en zal zijn onderzoek naar de elektromagnetische ophanging de komende jaren voortzetten in de EPE-groep, waar elektrische auto’s en hun componenten onderzocht worden./.

Laurenţiu Encică verdedigt op woensdag 26 november in zaal 5 van het Auditorium vanaf 16.00 uur zijn proefschrift ‘Space-mapping optimization applied to the design of a novel electromagnetic actuator for active suspension’.