Onderzoek Ben Minnaert

Abstract

Vermogenselektronica is essentieel voor efficiënte besturing en omzetting van elektrische energie, wat leidt tot aanzienlijke energiebesparingen, een kleiner elektronisch volume en een verbeterde efficiëntie in de productie, distributie en consumptie van elektriciteit, en zo een duurzame toekomst bevordert. Magnetische componenten, zoals inductoren en transformatoren, zijn cruciaal voor vermogenselektronica en hebben een grote invloed op de afmetingen, het vermogensverlies en de kosten. De grootste uitdaging is het gebrek aan een betrouwbare methode om magnetisch kernverlies te modelleren. De bestaande methode, bekend als de Steinmetz-vergelijkingen, is een empirische formule die wordt gebruikt om kernverliezen per volume-eenheid in magnetische materialen onder sinusvormige magnetische flux te berekenen. Deze methode houdt echter geen rekening met factoren zoals golfvormen, temperatuur en kerngeometrie, wat leidt tot onnauwkeurige voorspellingen van magnetisch kernverlies onder verschillende omstandigheden. Dit SRN is opgericht om een fundamenteel knelpunt in de vermogenselektronica aan te pakken: de onnauwkeurige voorspelling van magnetisch kernverlies. We gaan verder dan de empirische Steinmetz-vergelijkingen door een collaboratief, multidisciplinair raamwerk te creëren om het eerste open-source, op natuurkunde gebaseerde machine learning-model voor kernverliesvoorspelling te ontwikkelen. Dit model zal de effecten van DC-bias, complexe golfvormen, temperatuur en kerngeometrie integreren, met als doel de voorspellingsfouten te reduceren van >30% tot minder dan 5%. Het netwerk verenigt wereldwijd toonaangevende experts op het gebied van materiaalsynthese (Hasselt), elektromagnetisch ontwerp (Antwerpen, Kassel), industriële productie (SMA Magnetics, Sumida) en AI-gestuurde modellering (KU Leuven) om dit ambitieuze doel te bereiken. Het gangbare model voor magnetische kernverliezen is gebaseerd op de empirische Steinmetz-vergelijking (SE), waarbij de parameters 𝑘𝑘, 𝛼𝛼 en 𝛽𝛽 empirisch worden afgeleid uit de B-H-hysteresiscurve van het materiaal door middel van datafitting. SE en de modificaties ervan houden echter alleen rekening met frequentie en fluxdichtheid onder sinusvormige excitatie en gaan uit van een uniforme flux binnen het magnetische materiaal, wat onnauwkeurig is, met name bij hoge schakelfrequenties. Bovendien worden in de meeste vermogensomvormers magnetische componenten aangeslagen door niet-sinusoïdale golfvormen zoals zaagtand- of trapeziumvormen, wat leidt tot fouten van wel 50% tussen berekende en werkelijke magnetische eigenschappen. Daarnaast zijn magnetische eigenschappen sterk afhankelijk van de gelijkstroom (DC) bias, temperatuur, kerngeometrie en duty cycle, wat resulteert in onnauwkeurigheden in kernverlies, wikkelingsverlies, inductantiewaarden en B-H-karakteristieken. Het verbeteren van het op SE gebaseerde model is cruciaal voor de vooruitgang van vermogensomvormers en magnetisch ontwerp. De laatste jaren is machine learning een steeds vaker gebruikte techniek geworden voor het genereren van black-box-modellen om data te beschrijven.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Er zijn reeds heel wat toepassingen op de markt die gebruik maken van het magnetische veld om energie draadloos over te brengen. We spreken van zogenaamde inductieve koppeling. Echter, voor bepaalde toepassingen heeft capacitieve energieoverdracht de voorkeur. Deze gebruikt het elektrische veld voor vermogensoverdracht. Vermits deze technologie nog kampt met fundamentele wetenschappelijke uitdagingen, is deze nog niet op de markt beschikbaar. Dit project focust op draadloze capacitieve energieoverdracht met meerdere zenders en meerdere ontvangers, een zgn. MIMO-systeem. Immers, tot op heden bestaat er geen functioneel MIMO-systeem in het kW-bereik dat tolerant is voor niet-ideale uitlijning. Wegens de energietransitie en de bijbehorende elektrificatie van de samenleving zal er echter een oplossing moeten gevonden worden om de steeds talrijkere, vaak mobiele, applicaties van energie te voorzien. Daarom focust dit project zich op de fundamentele uitdagingen voor een MIMO systeem tot 1 kW, gevoed via capacitieve draadloze energieoverdracht, rekening houdend met de invloed van verschillende media en de nieuw opkomende convertertopologieën. Door de fundamentele eigenschappen van het capacitieve systeem te modelleren en deze uit te voeren in een experimentele opstelling, legt het project de wetenschappelijke basis voor de implementatie van capacitieve energieoverdracht in toepassingen zoals het opladen van elektrische voertuigen.?

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Draadloze energieoverdracht biedt als belangrijkste voordeel een betere gebruikerservaring, vooral voor mobiele apparaten, vermits het niet nodig is om een fysieke kabel aan te sluiten om het apparaat op te laden. Een nieuwe methode, hybride draadloze energieoverdracht genaamd, combineert zowel magnetische (inductieve) als elektrische velden (capacitieve koppeling). In dit project wordt een theoretisch raamwerk ontwikkeld dat de relatie modelleert tussen de koppelfactor van hybride draadloze vermogensoverdracht en de elektrische elementen van de equivalente circuitrepresentatie. Het effect van het combineren van zowel het magnetische als het elektrische veld op de eigenschappen van energieoverdracht en de tolerantie voor verkeerde uitlijning wordt gekwantificeerd. De resultaten worden gevalideerd door simulatie en experiment, wat resulteert in de essentiële koppelingsmodellen die nodig zijn om het potentieel van hybride draadloze energieoverdracht te ontsluiten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben
• Mandaathouder: Elst Baptist

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Draadloze energieoverdracht (DEO) verhoogt de gebruikerservaring van toestellen die elektrisch gevoed worden, aangezien het niet nodig is om een fysieke kabel aan te sluiten. Het resulteert in een hogere duurzaamheid en robuustheid, vergemakkelijkt de automatisering en verhoogt de veiligheid in gevaarlijke industriële omgevingen. Bij veel lokale bedrijven zijn er echter te weinig resources om de nodige kennis te vergaren om DEO toe te passen, ondanks de sterke wereldwijde groei van deze toepassing bij multinationals, en de maturiteit van de technologie. De beperkte kennis over de principes, een onoverzichtelijk marktaanbod en de beperkte toepassingsmogelijkheden van de de facto marktstandaard verhindert een brede toepassing omdat er een sterke nood is aan DEO voor atypische configuraties. Het globale doel is dan ook om laagdrempelige en praktijkgerichte tools en kennis voor de implementatie van draadloze energieoverdracht te verspreiden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit onderzoeksvoorstel richt zich op een draadloos energieoverdrachtssysteem met meerdere in- en uitgangen dat elektrische koppeling toepast om energie over te dragen van een of meer zenders naar een of meer ontvangers. De fundamentele onderzoeksvraag is hoe nieuwe optimalisatie-algoritmen de werkingparameters van dit capacitieve systeem met een onvoorspelbare elektrische koppeling geoptimaliseerd kunnen houden, afhankelijk van het gekozen optimalisatiedoel. Dit omvat het bepalen van de geschikte modellen en fundamentele relaties tussen de systeemeigenschappen (inclusief de onvoorspelbare koppeling) en de verschillende optimalisatiestrategieën. Een belangrijk aspect is de experimentele validatie van de modellen via een laagvermogenopstelling met een flexibele driver om frequentieaanpassingen mogelijk te maken. Meer specifiek zullen de bijdragen van dit project de volgende zijn: (i) Ontwikkeling van een model dat kwantitatief de fundamentele relaties beschrijft tussen variërende koppelingen en de (relatieve) variatie van de compensatienetwerken. (ii) Modelleren van het zogenaamde "frequentiebifurcatiefenomeen" voor systemen met meerdere poorten. (iii) Het bepalen en toepassen van optimalisatiealgoritmen voor verschillende scenario's door impedantie- en frequentieaanpassingen op basis van een feedbackprocedure om het capacitieve systeem in zijn (bijna) optimale bedrijfstoestand te houden, en tot slot (iv) validatie van de modellen en algoritmen door simulatie en experiment.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben
• Mandaathouder: van Ieperen Aris

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Capacitieve draadloze energieoverdracht maakt gebruik van het elektrische veld om energie van een zender naar een ontvanger over te dragen zonder dat fysieke verbindingen nodig zijn. Afhankelijk van de afstand tussen zender en ontvanger en hun relatieve uitlijning, variëren de systeemprestaties. Een systeem dat zichzelf automatisch in het optimale werkpunt positioneert, ongeacht de waarde van de onvoorspelbare koppeling tussen zender en ontvanger, is daarom noodzakelijk. Dit is met name een uitdaging voor een opstelling met meerdere zenders en meerdere ontvangers (een zgn. MIMO-configuratie). Het doel van dit project is om de noodzakelijke fundamentele relaties te bepalen die toelaten algoritmen op te stellen en te implementeren om het MIMO systeem in optimale omstandigheden te laten functioneren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben
• Co-promotor: Derammelaere Stijn
• Mandaathouder: van Ieperen Aris

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De vierde industriële revolutie (Industrie 4.0 zoals het vaak wordt genoemd) wordt aangedreven door extreme digitalisatie, mogelijk gemaakt door een enorme rekenkracht, gestuurd door slimme machines en draadloze netwerken. In de laatste zes jaar heeft Nexor — een multidisciplinair samenwerkingsverband tussen vier Antwerpse onderzoekslaboratoria — daar een solide portfolio opgebouwd. Momenteel versterken we het consortium om ons toe te laten door te groeien tot een gevestigde waarde in het Europese landschap. Het voorliggende projectvoorstel beschrijft onze plannen voor 2021 - 2026, met de expliciete bedoeling om industriële partners in staat te stellen hun Industrie 4.0 uitdagingen aan te pakken. We volgen daarbij een vraaggedreven aanpak, om toekomstige partners te overtuigen onze innovatieve ideeën op te pikken. We mikken daarbij onder andere op gezamenlijke onderzoeksprojecten (TRL5—7) en licentieovereenkomsten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Demeyer Serge
• Co-promotor: Challenger Moharram
• Co-promotor: Chevalier Amélie
• Co-promotor: Daems Walter
• Co-promotor: De Meulenaere Paul
• Co-promotor: Denil Joachim
• Co-promotor: Derammelaere Stijn
• Co-promotor: Minnaert Ben
• Co-promotor: Peremans Herbert
• Co-promotor: Perez Guillermo Alberto
• Co-promotor: Steckel Jan
• Co-promotor: Vangheluwe Hans
• Co-promotor: Vanlanduit Steve
• Co-promotor: Verlinden Jouke Casper
• Mandaathouder: Bozyigit Fatma
• Mandaathouder: De Mey Fons

Onderzoeksgroep(en)

• Antwerpen Systemen en software Modellering (AnSyMo)

Project website

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Dit onderzoeksproject ontwikkelt een module om energie van zonnecellen in gebouwen draadloos te transporteren. Een cruciaal probleem bij de integratie van zonnecellen in gebouwonderdelen (vb. als gevel, of ingebed in een raam) is dat er met de huidige technologie nog elektrische kabels van de buitenkant naar de binnenkant van het gebouw getrokken moeten worden, wat negatieve gevolgen heeft voor de isolatie en waterdichtheid van het gebouw. Via prototypes testen we de efficiëntie en betrouwbaarheid van draadloze energieoverdracht toegepast op de context van een gebouw.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Minnaert Ben

Onderzoeksgroep(en)

• Co-Design of Cyber-Physical Systems (Cosys-Lab)

Project type(s)

• Onderzoeksproject