Effect of Noncondensable Gases on Circulation of Primary Coolant in Nuclear Power Plants in Abnormal Situations

The present study focuses on two effects of the presence of a noncondensable gas on the thermal-hydraulic behavior of thecoolant of the primary circuit of a nuclear reactor in the VVER-440 geometry inabnormal situations. First, steam condensation with the presence of air was studied in the horizontal tubes of the steam generator (SG) of the PACTEL test facility. The French thermal-hydraulic CATHARE code was used to study the heat transfer between the primary and secondary side in conditions derived from preliminary experiments performed by VTT using PACTEL. In natural circulation and single-phase vapor conditions, the injection of a volume of air, equivalent to the totalvolume of the primary side of the SG at the entrance of the hot collector, did not stop the heat transfer from the primary to the secondary side. The calculated results indicate that air is located in the second half-length (from the mid-length of the tubes to the cold collector) in all the tubes of the steam generator The hot collector remained full of steam during the transient. Secondly, the potential release of the nitrogen gas dissolved in the water of the accumulators of the emergency core coolant system of the Loviisa nuclear power plant (NPP) was investigated. The author implemented a model of the dissolution and release ofnitrogen gas in the CATHARE code; the model created by the CATHARE developers. In collaboration with VTT, an analytical experiment was performed with some components of PACTEL to determine, in particular, the value of the release time constant of the nitrogen gas in the depressurization conditions representative of the small and intermediate break transients postulated for the Loviisa NPP. Such transients, with simplified operating procedures, were calculated using the modified CATHARE code for various values of the release time constant used in the dissolution and release model. For the small breaks, nitrogen gas is trapped in thecollectors of the SGs in rather large proportions. There, the levels oscillate until the actuation of the low-pressure injection pumps (LPIS) that refill the primary circuit. In the case of the intermediate breaks, most of the nitrogen gas is expelled at the break and almost no nitrogen gas is trapped in the SGs. In comparison with the cases calculated without taking into account the release of nitrogen gas, the start of the LPIS is delayed by between 1 and 1.75 h. Applicability of the obtained results to the real safety conditions must take into accountthe real operating procedures used in the nuclear power plant.

Torque vibration model of axial-flux surface-mounted permanent magnet synchronous machine

In order that the radius and thus ununiform structure of the teeth and otherelectrical and magnetic parts of the machine may be taken into consideration the calculation of an axial flux permanent magnet machine is, conventionally, doneby means of 3D FEM-methods. This calculation procedure, however, requires a lotof time and computer recourses. This study proves that also analytical methods can be applied to perform the calculation successfully. The procedure of the analytical calculation can be summarized into following steps: first the magnet is divided into slices, which makes the calculation for each section individually, and then the parts are submitted to calculation of the final results. It is obvious that using this method can save a lot of designing and calculating time. Thecalculation program is designed to model the magnetic and electrical circuits of surface mounted axial flux permanent magnet synchronous machines in such a way, that it takes into account possible magnetic saturation of the iron parts. Theresult of the calculation is the torque of the motor including the vibrations. The motor geometry and the materials and either the torque or pole angle are defined and the motor can be fed with an arbitrary shape and amplitude of three-phase currents. There are no limits for the size and number of the pole pairs nor for many other factors. The calculation steps and the number of different sections of the magnet are selectable, but the calculation time is strongly depending on this. The results are compared to the measurements of real prototypes. The permanent magnet creates part of the flux in the magnetic circuit. The form and amplitude of the flux density in the air-gap depends on the geometry and material of the magnetic circuit, on the length of the air-gap and remanence flux density of the magnet. Slotting is taken into account by using the Carter factor in the slot opening area. The calculation is simple and fast if the shape of the magnetis a square and has no skew in relation to the stator slots. With a more complicated magnet shape the calculation has to be done in several sections. It is clear that according to the increasing number of sections also the result will become more accurate. In a radial flux motor all sections of the magnets create force with a same radius. In the case of an axial flux motor, each radial section creates force with a different radius and the torque is the sum of these. The magnetic circuit of the motor, consisting of the stator iron, rotor iron, air-gap, magnet and the slot, is modelled with a reluctance net, which considers the saturation of the iron. This means, that several iterations, in which the permeability is updated, has to be done in order to get final results. The motor torque is calculated using the instantaneous linkage flux and stator currents. Flux linkage is called the part of the flux that is created by the permanent magnets and the stator currents passing through the coils in stator teeth. The angle between this flux and the phase currents define the torque created by the magnetic circuit. Due to the winding structure of the stator and in order to limit the leakage flux the slot openings of the stator are normally not made of ferromagnetic material even though, in some cases, semimagnetic slot wedges are used. In the slot opening faces the flux enters the iron almost normally (tangentially with respect to the rotor flux) creating tangential forces in the rotor. This phenomenon iscalled cogging. The flux in the slot opening area on the different sides of theopening and in the different slot openings is not equal and so these forces do not compensate each other. In the calculation it is assumed that the flux entering the left side of the opening is the component left from the geometrical centre of the slot. This torque component together with the torque component calculated using the Lorenz force make the total torque of the motor. It is easy to assume that when all the magnet edges, where the derivative component of the magnet flux density is at its highest, enter the slot openings at the same time, this will have as a result a considerable cogging torque. To reduce the cogging torquethe magnet edges can be shaped so that they are not parallel to the stator slots, which is the common way to solve the problem. In doing so, the edge may be spread along the whole slot pitch and thus also the high derivative component willbe spread to occur equally along the rotation. Besides forming the magnets theymay also be placed somewhat asymmetric on the rotor surface. The asymmetric distribution can be made in many different ways. All the magnets may have a different deflection of the symmetrical centre point or they can be for example shiftedin pairs. There are some factors that limit the deflection. The first is that the magnets cannot overlap. The magnet shape and the relative width compared to the pole define the deflection in this case. The other factor is that a shifting of the poles limits the maximum torque of the motor. If the edges of adjacent magnets are very close to each other the leakage flux from one pole to the other increases reducing thus the air-gap magnetization. The asymmetric model needs some assumptions and simplifications in order to limit the size of the model and calculation time. The reluctance net is made for symmetric distribution. If the magnets are distributed asymmetrically the flux in the different pole pairs will not be exactly the same. Therefore, the assumption that the flux flows from the edges of the model to the next pole pairs, in the calculation model from one edgeto the other, is not correct. If it were wished for that this fact should be considered in multi-pole pair machines, this would mean that all the poles, in other words the whole machine, should be modelled in reluctance net. The error resulting from this wrong assumption is, nevertheless, irrelevant.

Welding of Sheet metal using Modified short arc MIG/MAG welding process

In this research work, the results of an investigation dealing with welding of sheet metals with diverse air gap using FastROOT modified short arc welding method and short circuit MAG welding processes have been presented. Welding runs were made under different conditions and, during each run, the different process parameters were continuously monitored. It was found that maximum welding speed and less HAZ are reached under specific welding conditions with FastROOT method with the emphasis on arc stability. Welding results show that modified short arc exhibits a higher electrode melting coefficient and with virtually spatter free droplet transition. By adjusting the short circuit duration the penetration can be controlled with only a small change in electrode deposition. Furthermore, by mixing pulsed MIG welding with modified arc welding the working envelope of the process is greatly extended allowing thicker material sections to be welded with improved weld bead aesthetics. FastROOT is a modified short arc welding process using mechanized or automated welding process based on dip transfer welding, characterized by controlled material deposition during the short circuit of the wire electrode to the workpiece.

Design of an amplifier and an instrumentation setup for a harsh environment heat flux measurement application – case axial flux electric machine

Measurement is a tool for researching. Therefore, it is important that the measuring process is carried out correctly, without distorting the signal or the measured event. Researches of thermoelectric phenomena have been focused more on transverse thermoelectric phenomena during recent decades. Transverse Seebeck effect enables to produce thinner and faster heat flux sensor than before. Studies about transverse Seebeck effect have so far focused on materials, so in this Master’s Thesis instrumentation of transverse Seebeck effect based heat flux sensor is studied, This Master’s Thesis examines an equivalent circuit of transverse Seebeck effect heat flux sensors, their connectivity to electronics and choosing and design a right type amplifier. The research is carried out with a case study which is Gradient Heat Flux Sensors and an electrical motor. In this work, a general equivalent circuit was presented for the transverse Seebeck effect-based heat flux sensor. An amplifier was designed for the sensor of the case study, and the solution was produced for the measurement of the local heat flux of the electric motor to improve the electromagnetic compatibility.

Polttomoottorin sähkömekaaninen venttiilinohjaus

Työssä tarkastellaanpolttomoottorin venttiilitoimilaitteen toteuttamista sähkömekaanisesti. Tähän mennessä kehitetyt ratkaisut ja rakennetut prototyypit soveltuvat pääosin henkilöautojen vapaasti hengittävien ottomoottoreiden venttiilien ohjaukseen. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen soveltuvuutta suuriin polttomoottoreihin kuten esimerkiksi voimalaitosdieseleihin on myös tarkasteltu, mutta ongelmaksi muodostuu riittävän suuren magneettisen voiman kehittäminen magneettivuon reitillä esiintyvän suuren ilmavälin takia. Työssä esitetään valmiita ja kehitteillä olevia ratkaisuja polttomoottorin venttiilien ohjaukseen sähkömekaanisesti. Lisäksi käsitellään parannusmahdollisuuksia jo valmiisiin ratkaisuihin ja käydään läpi sähkömekaanisen venttiilinohjauksen ongelmakohtia. Suomeksi ei ole kovin paljon julkaistua materiaalia polttomoottorin venttiilien sähkömekaanisesta ohjauksesta, joten työ tukeutuu pääosin Internetissä julkaistuihin artikkeleihin sekä sähköpostin välityksellä käytyihin keskusteluihin niiden tahojen kanssa, jotka tutkivat ja kehittävät polttomoottorinsähkömekaanista venttiilien ohjausta. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen tutkiminen tällä hetkellä jakautuu pääpainotteisesti sähkömagneettisen osuuden ja säätöteknisen osuuden tutkimiseen ja kehittämiseen. Työssä ei mennä näiden aihepiirien syvälliseen analysointiin vaan esitetään tämän hetkisentutkimuksen painopisteet ja lähdeviitteet aihepiiriä syventäviin julkaisuihin.

Kestomagneettitahtikoneen lämpömallinnus

Sähkökoneenterminen suunnittelu on yhtä tärkeätä kuin koneen sähköisten piirien ja magneettipiirin mitoitus, koska koneen lämpenemä määrää koneesta saatavan tehon. Pääosasähkökoneista suunnitellaan edelleen ns. perimätiedon avulla, jossa tukeudutaanvalmiiksi koeteltuihin ratkaisuihin ja kokemusperäiseen tietoon tiettyjen rakenteiden toimivuudesta. Perinteisin menetelmin uusia konerakenteita suunniteltaessa ei pystytä saamaan luotettavaa tietoa uusien ratkaisuiden toimivuudesta. Etenkin hitaasti pyörivien ja suuren vääntötiheyden omaavien kestomagneettitahtikoneiden jäähdytyksen mitoitus on ongelmallista. Siten tarve kehittää analyyttisiä työkaluja lämpenemän mallinnukseen on perusteltua. Tässä työssäperehdytään suuren tehotiheyden omaavien kestomagneettikoneiden urakoon ja virrantiheyden valintaan termisen mitoituksen kannalta. Työn tavoitteena on laatia yksinkertainen analyyttinen työkalu urakoon ja virrantiheyden valintaan. Työkaluavoidaan hyödyntää jo koneensuunnittelun alkuvaiheessa.

Tuotannollisen testerin suunnittelu tiedonsiirtolinkkikortille

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin linkkikorttien tuotannollinen testeri. Linkkikortti on osa CERN:iin rakennettavan hiukkaskiihdyttimen Large Hadron Colliderin koeasema Compact Muon Solenoidin luentajärjestelmää. Linkkikortin tehtävänä on muuttaa rinnakkaismuotoinen LVDS-signaali sarjamuotoiseksi optiseksi signaaliksi. Testattaessa testeri ja linkkikortti sijoitetaan kehikkoon, joten testerin liittimien pitää olla linkkikortin liittimien kanssa identtisiä. Testerin lähdöt ovat linkkikortin tuloja ja toisinpäin. Tällöin testattaessa voidaan ohjelmoitavien FPGA-piirien avulla lähettää signaalia kortilta toiselle. Vastaanottavan kortin FPGA-piirin avulla voidaan tarkistaa, onko data tullut perille muuttumattomana. Testin ohjaus tapahtuu tietokoneella, jolla käyttäjä antaa käskyn testin aloittamisesta ja jonne lopulta myös raportoidaan testin tulokset. Testien tulokset näytetään myös testerin ledeillä. Työssä ei pystytä linkkikorttien puuttumisen takia testaamaan testeriä loppukäytössään. Kuitenkin testerin toimivuus pystyttiin suurilta osin testaamaan, jolloin saatiin odotettuja tuloksia.

USER'S GUIDE FOR ADVANCED PROCESS SIMULATION SOFTWARE APROS 5

Tässä diplomityössä tehtiin käyttäjän opas kehittyneelle prosessisimulointiohjelmistolle APROS 5. Opas on osa VTT Energialle tehtävää APROS 5 käyttäjän koulutuspakettia, joka julkaistaan myöhemmin CD-ROM -muotoisena. Prosessisimulointiohjelmistoa AAPROS 5 voidaan käyttää termohydraulisten prosessien, automaatiopiirien ja sähköjärjestelmien mallinnuksessa. Ohjelma sisältää myös neutroniikkamallin ydinreaktorin käyttäytymisen mallintamiseksi. APROS:in aikaisemmilla UNIX-ympäristössä toimivilla versioilla on toteutettu useita ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen liittyviä analyysejä ja sekä ydinvoimalaitosten että konventionaalisten voimalaitosten koulutussimulaattoreita. APROS 5 toimii Windows NT -ympäristössä ja on oleellisesti erilainen käyttää kuin aikaisemmat versiot. Tämän myötä syntyi tarve uudelle käyttäjän oppaalle. Käyttäjän oppaassa esitetään APROS 5:n tärkeimmät toiminnot, mallinnuksen periaatteet ja termohydraulisten ja neutroniikan ratkaisumallit. Lisäksi oppaassa esitetään esimerkki, jossa mallinnetaan yksinkertaistettu VVER-440 -tyyppisen ydinvoimalaitoksen primääripiiri. Yksityiskohtaisempaa tietoa ohjelmistosta on saatavilla APROS 5 -dokumentaatiosta.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Pienitaajuinen radiosekoitin

Normaalisti radiovastaanottimet on luokiteltavissa suoriin vastaanottimiin ja superheterodynevastaanottimiin. Jälkimmäistä nimitetään tavallisesti supervastaanottimeksi. Molemman vastaanottimen oleellisiin osiin kuuluu antennin virityspiiri, supervastaanottimelle lisäksi paikallisoskillaattorin virityspiiri, mikä pitää virittää antennipiirin kanssa samanaikaisesti. Pienillä taajuuksilla, taajuudet luokassa kilo-Hertzejä tai pienemmillä, on antennipiirin viritys resonanssipiirin ominaisuuksista johtuen sitä kapeammalla kaistalla ja sitä hitaampaa mitä pienemmällä taajuudella vastaanotto tapahtuu. Lisäksi virityspiiri hyvyysluku Q on vaikea saada sopivaksi, mikäli viritys on muuten käytännöllinen, säädettävä resonanssipiiri. Vaadittaessa kiinteätaajuista viritystä on käytännöllistä hyödyntää sähkömekaanisia osia, siis keraamisia tai kvartsikiteitä. Koska kiteitten ja korkean hyvyysluvun piirin värähtely jatkuu useita värähtelyjaksoja ennen saapuneitten värähtelyjen sammumista, kestää myös kauan aikaa, ennen kuin värähtely piirissä on loppu. Pienitaajuinen resonanssipiiri saavuttaa maksimivirtansa hitaasti, jos hyvyysluku on iso, kun piiri alkaa johtaa resonanssitaajuista virtaa. Tässä työssä pyritään vastaanotinjärjestelyyn ongelmallisen, pientaajuisen virityspiirin käytön välttämiseksi. Toisena tavoitteena on saada aikaan vastaanotto siten, että tietty pienitaajuinen radiotaajuusalue voidaan kokonaisuudessaan vastaanottaa jatkuva-aikaisesti, ilman antennipiirin jatkuvaa virittämistä erillisille taajuuksille. Laaditaan kytkentä, joka mitoitetaan, simuloidaan ja mitataan.

Voimalaitoksen palamisilman esilämmittimen sisäpuolisen korroosion hallinta pinta-aktiivisten amiinien avulla

Useat voimalaitokset käyttävät hiiliteräksistä valmistettuja palamisilman esilämmittimiä, joissa höyrykattilan palamisilmaa lämmitetään matalapainehöyryllä. Joissakin tapauksissa esilämmittimet ovat kärsineet sisäpuolisen korroosion aiheuttamista putkirikoista. Tämän työn tavoitteena oli selvittää korroosiovaurioiden aiheuttajat ja tarkastella eri keinoja uusien korroosiovaurioiden ehkäisemiseksi. Keskeisimpänä uusien vaurioiden ehkäisykeinona tarkastellaan pinta-aktiivisia amiineja sisältäviä höyrykattilan jälkiannostelukemikaaliseoksia, joista tarkemman tarkastelun kohteena on kaupallinen Helamin 90 H Turb- kemikaaliseos. Pääasialliseksi korroosion aiheuttajaksi on usein epäilty höyryn sisältämää hiilidioksidia. Uusimpien näkemysten mukaan orgaaniset hapot, pääasiassa etikka- ja muurahaishappo ovat kuitenkin hiilidioksidia voimakkaampia korroosion aiheuttajia ilmanesilämmittimissä. Orgaaniset hapot väkevöityvät höyryn lauhtumisen alkaessa muodostuviin lauhdepisaroihin ja alentavat pH-tasoa radikaalisti. pH-tason aleneminen nopeuttaa metallipintoja suojaavan magnetiitin liukenemista ja vaikeuttaa myös sen uusiutumista. Orgaanisia happoja ja hiilidioksidia muodostuu orgaanisten aineiden osittaisessa hajoamisessa höyrykattilan vesi-höyrypiirissä. Pääasialliset orgaanisten aineiden lähteet ovat lisäveden mukana kattilaan kulkeutuva luonnon orgaaninen aines ja käytetyt orgaaniset jälkiannostelukemikaalit. Orgaanisten aineiden kuormaa voidaan pienentää parantamalla lisäveden valmistusprosessin orgaanisten aineiden erotustehokkuutta esimerkiksi käänteisosmoosilla. Mikäli lisäveden laadun parantaminen ei ole järkevästi toteutettavissa, voidaan orgaanisten jälkiannostelukemikaalien oikeanlaisella käytöllä neutraloida orgaanisten happojen vaikutus ilmanesilämmittimissä. Tehokkaimmaksi korroosion hillitsijäksi suoritettujen mittausten perusteella osoittautuivat kemikaaliseokset, jotka sisältävät alkaloivien amiinien lisäksi kalvoa muodostavaa pinta-aktiivista amiinia.

Painevesityyppisen ydinvoimalaitoksen sekundääripiirin mallinnus

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää entistä tarkempi ja luotettavampi työkalu Loviisan ydinvoimalaitoksen ensimmäisen reaktoriyksikön sekundääripiirin 50-linjan stationääritilan toiminnan arviointiin. Toisena tavoitteena oli kartoittaa ja raportoida mallintamiseen käytetyn SOLVO-ohjelman kehitysmahdollisuuksia. Tutkimusten perusteella kehitettiin testatusti toimiva prosessimalli, joka dokumentoitiin ja validoitiin yksityiskohtaisesti. Tulevaisuudessa tapahtuvaa kehitystyötä, ja mallin käyttöä varten kehitettiin lisäksi Excel-pohjainen työkalu, jonka avulla SOLVO:n ja Excelin välinen integraatio voidaan myöhemmin julkaistavassa SOLVO:n versiossa viedä nykyistä pidemmälle. Mallintamistyön ohella tutkimuksen aikana selvitettiin olennaisimmat SOLVO:n erityispiirteet ja vahvuudet sekä kartoitettiin sen käyttöön liittyvät kehitystarpeet. Tärkeimpänä kehitysehdotuksena nousi esiin yksittäisissä komponenteissa suoritetun laskennan läpinäkyvyyden parantaminen. Seuraavassa kehitysvaiheessa myös komponenttikohtaiset laskentayhtälöt olisi suositeltavaa asettaa avoimiksi käyttäjäkohtaisille muutoksille. Työn aikana saavutettiin myös muita merkittäviä tuloksia, jotka liittyivät pääosin rinnak-kaisten 10- ja 50-linjojen välisiin yhteyksiin. Linjojen välisiä vaikutuksia analysoitaessa huomattiin niiden olevan olennaisessa asemassa erityisesti sarja-ajon aikana. Mikäli mallilla halutaan kuvata sekä sarja- että rinnanajoa, sen on käsitettävä molemmat linjat ja kaikki niihin liittyvät komponentit. Edellä mainitun lisäksi mallipohjaisen tarkastelun tuloksena tehtiin havaintoja, joiden perusteella nykyistä prosessia voidaan edelleen kehittää. Näistä havainnoista tärkeimpänä merivesipumppujen optimaalisen säätölämpötilan todettiin asettuvan 4,5 – 4,6 °C välille. Toinen huomio liittyi matalapaineturbiinien ulosvirtaushäviöihin, joihin hukataan juoksusta riippuen keskimäärin noin 10 kJ/kg enemmän entalpiaa kuin parhaassa mahdollisessa tapauksessa. Validoinnin yhteydessä havaituista pienistä poikkeamista huolimatta kehitetty malli vastaa hyvin laitokselta saatuja mittaustuloksia sekä muita samassa yhteydessä käytettyjä luotet-tavuuden arviointikriteerejä.

Virtuaalimallin hyödyntäminen harvesteripään tuotekehityksessä

Virtuaalimallinnuksella tarkoitetaan koneen simulointia, jossa huomioidaan koneen mekaniikka, toimilaitteet ja ohjausjärjestelmä. Työn tavoitteena oli luoda virtuaalimalli harvesteripäästä. Kyseinen virtuaalimalli sisälsi harvesteripään tärkeimmät mekaaniset osat, pituusmittalaitteen hydrauliikkapiirin ja tämän ohjauksen. Luodussa virtuaalimallissa huomioitiin myös harvesteripään ja puun väliset kontaktit. Lisäksi työssä tutkittiin mahdollista virtuaalimallinnuksen implementoimista osaksi yrityksen tuotekehitysprosessia. Työssä suoritettiin verifiointimittaukset pituusmittalaitteen hydrauliikkapiirille sekä virtuaalimallin hydrauliikkakomponentit parametrisoitiin. Mittauksista saatuja tuloksia verrattiin virtuaalimallista saatuihin tuloksiin. Työssä esitellään myös ehdotus kuinka virtuaalimallinnusta kannattaisi hyödyntää osana yrityksen tuotekehitysprosessia. Virtuaalimallin eri osa-alueilla saavutetut tulokset osoittavat, että virtuaalimallinuksen hyödyntäminen tuotekehitysprosessin aikana mahdollistaa harvesteripään toimintojen tarkastelun ennen prototyypin rakentamista ja testaamista. Lisäksi hydrauliikkapiirin parametrisoimisella pystytään tutkimaan parametrien vaikutusta kokonaisuuteen.

Analytic evaluation of three-phase short circuit demagnetization and hysteresis loss risk in rotor-surface-magnet Permanent-Magnet Synchronous Machines

Permanent magnet synchronous machines (PMSM) have become widely used in applications because of high efficiency compared to synchronous machines with exciting winding or to induction motors. This feature of PMSM is achieved through the using the permanent magnets (PM) as the main excitation source. The magnetic properties of the PM have significant influence on all the PMSM characteristics. Recent observations of the PM material properties when used in rotating machines revealed that in all PMSMs the magnets do not necessarily operate in the second quadrant of the demagnetization curve which makes the magnets prone to hysteresis losses. Moreover, still no good analytical approach has not been derived for the magnetic flux density distribution along the PM during the different short circuits faults. The main task of this thesis is to derive simple analytical tool which can predict magnetic flux density distribution along the rotor-surface mounted PM in two cases: during normal operating mode and in the worst moment of time from the PM’s point of view of the three phase symmetrical short circuit. The surface mounted PMSMs were selected because of their prevalence and relatively simple construction. The proposed model is based on the combination of two theories: the theory of the magnetic circuit and space vector theory. The comparison of the results in case of the normal operating mode obtained from finite element software with the results calculated with the proposed model shows good accuracy of model in the parts of the PM which are most of all prone to hysteresis losses. The comparison of the results for three phase symmetrical short circuit revealed significant inaccuracy of the proposed model compared with results from finite element software. The analysis of the inaccuracy reasons was provided. The impact on the model of the Carter factor theory and assumption that air have permeability of the PM were analyzed. The propositions for the further model development are presented.