Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

In this master’s thesis, the mechanical design and analysis of a modular active magnetic bearing (AMB) test rig is investigated. First the theory of high speed rotor design is presented. Also a number of analytical methods for analyzing mechanical stresses of high speed rotor is presented. Due to the nature of high speed machinery, introduction to rotordynamics and analyzing methods is presented. The structure and functionality of AMBs used in this study are introduced. In addition, a literature review of test rigs, used in various applications, such as component identification and rotor dynamics studies, is presented. The thesis scope was chosen to provide a concept design of a reconfigurable test rig, the design and modelling of a rotor of a high-speed induction motor and a documentation of the design process, with the main focus being on the rotor design. The need of reconfigurable modular design comes from the possibility of changing the system configuration, in order to test and perform the identification of different AMBs, motor and rotor designs. Structures of modular actuator designs for AMBs and electric machine are presented and the benefits of having a modular structure are discussed. Both analytical and finite element methods are presented and used for analyzing the designed high speed rotor. The results are presented and compared for finding differences between various modeling methods. Finally, the complexity and requirements of mounting the electromagnetic components to the rotor and actuator modules for optimizing both the mechanical and the electromagnetic performance are discussed.