Cyfres Seminarau Ymchwil #5 - Technoleg a Pheirianneg

Ionawr 2024

Ym mis Ionawr, ailgychwynnwyd Cyfres Ymchwil FAST ar gyfer y flwyddyn newydd, gyda Dr Rob Bolam yn cadeirio'r seminar Technoleg a Pheirianneg. 

Ymunodd Nikolas Veillet a Marin Gaillard â’r seminar i siarad am y prosiect Technoleg System Trydan Cyflym (QuEST) mewn Cerbydau Awyr Di-griw (UAV), sydd ar y gweill yn yr adran Beirianneg. 

Mae Nikolas a Marin yn fyfyrwyr MSc Peirianneg Awyrenegol sydd, ochr yn ochr ag wyth myfyriwr arall o bob rhan o Ewrop, yn ymchwilio, yn dylunio ac yn adeiladu Cerbyd Awyr Di-griw mawr. Bydd y cerbyd yn defnyddio system gyriant trydanol newydd, gan weithio ochr yn ochr â phrosiect FAST Fan. Y FAST Fan yw’r ffan gyriant rhimyn cyntaf yn y byd a grëwyd gan Dr Rob Bolam a Chynorthwyydd Ymchwil / Myfyriwr PhD Jhon Paul Roue, mewn cydweithrediad â’r diwydiant. Nod y FAST Fan yw cefnogi'r daith tuag at sero net; gallwch gael rhagor o wybodaeth drwy wylio Darlith Gyhoeddus Dr Rob Bolam a darllen Blog Seminar Ymchwil Jhon Paul Rota. 

Mae’r tîm QuEST wedi rhannu’r prosiect yn dasgau llif gwaith amrywiol: System Rheoli Hedfan, Corff Awyren, Adenydd, Ôl-blanau, Offer Glanio/ Brêcs a Rheoli a Chydymffurfio â Rheoliadau. 
Rhoddodd Nikolas gipolwg i’r gynulleidfa ar ymchwil a dyluniad yr offer glanio, gyda’r tîm wedi dewis is-ffrâm tair olwyn am nifer o resymau, gan gynnwys y canolbwynt disgyrchiant unigol o ganlyniad i’r dyluniad gyriant trydanol. 

Mae'r tîm hefyd yn cynnal ymchwil i'r siapiau a'r deunyddiau gorau ar gyfer y prif ffrâm offer a’r offer trwyn. Gan ddefnyddio meddalwedd dadansoddi strwythurol, mae lleoli deunyddiau’n cael ei ystyried ar lefel haenog, yn hytrach na’i ystyried fel strwythur bloc yn unig. O ganlyniad, mae'r tîm wedi newid y broses weithgynhyrchu, gan ddefnyddio proses gofleidiol sy'n arwain at ganlyniadau llawer mwy effeithlon na defnyddio mowldiau traddodiadol. 

Eglurodd Marin ddyluniad y system rheoli hedfan a fydd yn defnyddio system yrru modur pŵer uchel. Trafodwyd y gofynion cydymffurfio hefyd, gan fod disgwyl i’r UAV bwyso tua 40kg ac mae’r gofynion cydymffurfio yn berthnasol i UAV o 25kg+. Un o’r gofynion yw dull hedfan awtonomaidd ar gyfer dychwelyd yn ddiogel, sy’n gofyn am y gallu i raglennu llwybr GPS i’w ddychwelyd os bydd rheolaeth yn methu. Mae’r dyluniad rheoli QuEST yn gymhleth, gyda nifer o heriau fel materion sy’n ymwneud â phŵer uchel a graddau trydanol amrywiol ar draws y gwahanol gydrannau/dyfeisiau. Mae ymchwil hefyd yn cael ei gynnal i geisio gwella'r lled-ddargludyddion a ddefnyddir mewn gyriant trydanol, gan alluogi paradeimau dylunio newydd a gwahanol dopoleg.  

At ei gilydd, mae hwn yn brosiect cyffrous iawn sy’n datblygu’r dyluniad, a pherfformiad UAV yn ei dro gobeithio, ac edrychwn ymlaen at weld y canlyniadau wrth i’r prosiect fynd rhagddo. Diolch i Nikolas a Marin am rannu'r manylion a chyflwyno i gynulleidfa o academyddion, nad yw byth yn hawdd, ond fe aethoch amdani. Diolch yn fawr!

Yna, cyflwynodd Andrew Sharp, Uwch Ddarlithydd mewn Peirianneg Drydanol, sesiwn ar Welliant Graddiant Tymheredd mewn Modiwlau Lled-ddargludyddion Pŵer wedi'u Gosod ar Sinc Gwres Aer Gorfodol. 

Dechreuodd Andrew drwy fanylu ar y cymhelliant y tu ôl i’r ymchwil, sef ei brosiect PhD presennol. Mae canran uchel o fethiannau cydran mewn dyfeisiau electronig pŵer yn deillio o fethiant lled-ddargludyddion pŵer trawsnewidyddion. Mae colledion gwres mewn lled-ddargludyddion pŵer yn cael eu rheoli’n gyffredinol gan ddefnyddio sinc gwres, sy’n trosglwyddo’r gwres o’r gydran lled-ddargludyddion i’r amgylchedd fel arfer drwy ddefnyddio oeri aer gorfodol. Dychmygwch fod bloc o alwminiwm gydag esgyll wedi’u torri yn y gwaelod, i drosglwyddo gwres o’r ddyfais led-ddargludydd gan ddefnyddio ffan ar un pen. Fodd bynnag, mae hyn yn achosi gwahaniaeth tymheredd (graddiant) ar hyd y sinc gwres sydd, yn creu straen mecanyddol yn strwythur y lled-ddargludydd oherwydd bod gan wahanol ddeunyddiau wahanol gyfraddau ehangu thermol. Mae straen mecanyddol yn golygu llai o ddibynadwyedd a hyd oes y modiwlau. 

Felly, mae Andrew yn ceisio dod o hyd i ateb i’r broblem hon drwy addasu sinc gwres safonol i weithredu gwrthiant thermol amrywiol ar hyd y sinc gwres. Isod mae delwedd o sinc gwres safonol ochr yn ochr â dyluniadau o sinc gwres newydd y mae Andrew wedi eu creu fel amnewidiadau posibl yn lle’r dyluniad ‘esgyll’ safonol.

Sefydlodd Andrew ei bod yn fwy effeithlon codi’r holl gydrannau i’r un tymheredd drwy addasu’r sinc gwres yn fecanyddol er mwyn diraddio’r amodau trosglwyddo gwres. Roedd efelychu cyfrifiadurol yn cefnogi’r ddamcaniaeth bod addasiadau i sinciau gwres (fel toriad v) yn newid llif aer ar draws y sinc gwres ac yn gwella’r graddiant tymheredd ar arwynebedd y sinc gwres. Fodd bynnag, nid yw efelychu cyfrifiadurol ar ei ben ei hun yn ddigon, a phenderfynwyd y byddai angen mesuriadau ffisegol i ddilysu’r canlyniadau. 

Yn 2023, aeth Andrew ati i gael cyllid grant i adeiladu rig profi pwrpasol i wneud y mesuriadau ffisegol gofynnol; roedd yn llwyddiannus, ac mae’r rig profi wedi cael ei adeiladu erbyn hyn. Bydd y darlleniadau tymheredd a geir gan ddefnyddio'r rig profi hwn yn cael eu cymharu â'r rhai a geir drwy efelychiad cyfrifiadurol a gobeithio y byddant yn dilysu canlyniadau'r efelychiad cyfrifiadurol. 

Mae angen gwneud rhagor o waith i fesur tymheredd a chyfaint llif aer drwy’r sinc a bydd angen ychwanegu’r data hwn at y model cyfrifiadurol. Nod Andrew yn y pen draw yw cael darlleniadau tebyg rhwng yr efelychiad cyfrifiadurol a’r dulliau ymarferol, ac yn hynny o beth, mae’r prosiect yn dal i fynd rhagddo. Fodd bynnag, mae nifer o bapurau wedi cael eu cyhoeddi ar hyd y ffordd ac edrychwn ymlaen at gam nesaf y prosiect. 

Roedd angerdd a brwdfrydedd Andrew yn amlwg drwy gydol y sesiwn, gan ei wneud yn fwy diddorol a hygyrch, hyd yn oed i’r aelodau hynny o’r gynulleidfa (fel ni) a oedd yn anghyfarwydd â sinciau gwres! Diolch Andrew. 

Gwaith cyhoeddedig:

A.Mueller, C. Buennagel, S. Monir, A. Sharp, Y. Vagapov and A. Anuchin, “Numerical Design and Optimisation of a Novel Heatsink using ANSYS Steady-State Thermal Analysis,” in Proc. 27th Int. Workshop on Electric Drives (IWED), Moscow, Russia, 2020, pp. 1-5,

C. Bünnagel, S. Monir, A. Sharp, A. Anuchin, O. Durieux, I. Uria, and Y. Vagapov, “Forced air cooled heat sink with uniformly distributed temperature of power electronic modules,” Applied Thermal Engineering, vol. 199, Nov. 2021, Art no. 117560

A.Sharp, S. Monir, Y. Vagapov and R. J. Day, "Temperature Gradient Improvement of Power Semiconductor Modules Cooled Using Forced Air Heat Sink," 2022 XIV International Symposium on Industrial Electronics and Applications (INDEL), 2022, pp. 1-5

A. Sharp, S. Monir, R. J. Day, Y. Vagapov and A. Dianov, “A test rig for thermal analysis of heat sinks for power electronic applications,” in Proc. 19th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), Batumi, Georgia, 22-25 Sept. 2023, pp. 1-4,