Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

This study compares different rotor structures of permanent magnet motors with fractional slot windings. The surface mounted magnet and the embedded magnet rotor structures are studied. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible. Several possible ways of winding a fractional slot machine with slots per pole and per phase lessthan one are examined. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windingsare considered. Rotor structures with surface magnets, radially embedded magnets and embedded magnets in V-position are discussed. The finite element method isused to solve the main values of the motors. The waveform of the induced electro motive force, the no-load and rated load torque ripple as well as the dynamic behavior of the current driven and voltage driven motor are solved. The results obtained from different finite element analyses are given. A simple analytic method to calculate fractional slot machines is introduced and the values are compared to the values obtained with the finite element analysis. Several different fractional slot machines are first designed by using the simple analytical methodand then computed by using the finite element method. All the motors are of thesame 225-frame size, and have an approximately same amount of magnet material, a same rated torque demand and a 400 - 420 rpm speed. An analysis of the computation results gives new information on the character of fractional slot machines.A fractional slot prototype machine with number 0.4 for the slots per pole and per phase, 45 kW output power and 420 rpm speed is constructed to verify the calculations. The measurement and the finite element method results are found to beequal.

Microwave Slot Transmission Line Filled with Ferroelectric and Ferromagnetic Layers

Now when the technology is fast developing it is very important to investigate new hybrid structures. One way is to use ferrite ferroelectric layered structures. Theoretical and experimental investigation of such structures was made. These structures have advantages of both layers and it is possible to tune the behavior of this structure by external electric and magnetic field. But these structures have some disadvantages connected with presence of thick ferroelectric layer. One way to overcome this problem is to use slotline. So this is another new way to create hybrid ferrite ferroelectric structures, but it is needed to create new theory and find experimental proof that the behavior of these structures can be tuned with external magnetic and electric fields.

Hindsgavl slot

kuv., 15 x 22 cm

Unequal Teeth Widths for Torque Ripple Reduction in Permanent Magnet Synchronous Machines With Fractional-Slot Non-Overlapping Windings

Permanent magnet synchronous machines with fractional-slot non-overlapping windings (FSPMSM), also known as tooth-coil winding permanent magnet synchronous machines (TCW PMSM), have been under intensive research during the latest decade. There are many optimization routines explained and implemented in the literature in order to improve the characteristics of this machine type. This paper introduces a new technique for torque ripple minimization in TCW PMSM. The source of torque harmonics is also described. The low order torque harmonics can be harmful for a variety of applications, such as direct drive wind generators, direct drive light vehicle electrical motors, and for some high precision servo applications. The reduction of the torque ripple harmonics with the lowest orders (6th and 12th) is realized by machine geometry optimization technique using finite element analysis (FEA). The presented optimization technique includes the stator geometry adjustment in TCW PMSMs with rotor surface permanent magnets and with rotor embedded permanent magnets. Influence of the permanent magnet skewing on the torque ripple reduction and cogging torque elimination was also investigated. It was implemented separately and together with the stator optimization technique. As a result, the reduction of some torque ripple harmonics was attained.

Sähkökoneen staattorikäämityksen kehittäminen

Tämä insinöörityö tehtiin ABB:n Pitäjänmäen konetehtaalle Tahtikoneet-tulosyksikölle. Työssä tutkittiin mahdollisuuksia valmistaa murtovakovyyhtejä kestomagneettituuligeneraattoreihin, joissa vakoluku on alle yhden. Työ tehtiin tutustumalla aluksi Pitäjänmäen konetehtaan käytössä oleviin vyyhden valmistus- ja käämintämenetelmiin. Lisäksi tutkittiin erilaisia mahdollisia murtovakovyyhden valmistusmenetelmiä, joista lupaavimpia myös kokeiltiin. Saatujen kokemusten pohjalta valittiin vyyhden valmistusmenetelmä, jonka mukaan valmistettiin koe-erä. Koe-erälle suoritettiin mittauksia, joilla varmistettiin niiden sähköinen kestävyys Työn tuloksena valitulla valmistusmenetelmällä valmistettiin vyyhdet prototyyppi tuuligeneraattorin.

Napakäämityn murtovakokestomagneettitahtikoneen suunnittelu

Diplomityössä tutustutaan napakäämittyihin murtovakokestomagneettitahtikoneisiin sekä syvennytään niiden suunnitteluun analyyttisen laskennanavulla. Analyyttisen laskennan haasteena on perinteisesti käytettyjen kestomagneettitahtikoneiden laskentayhtälöiden sovittaminen murtovakokäämityille kestomagneettitahtikoneille. Työn lopussa analyyttisen laskennan tuloksia verrataan kenttälaskentaohjelmalla saatuihin tuloksiin. Tärkeimmät analyyttiset yhtälöt sekä laskentamallin rakenne on esitetty työssä.

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.

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.

Päällystysyksikön konstruktion kehitys.

Työssä suunniteltiin esisuunnitteluluontoisesti leveän, uutta päällystysmenetelmää soveltavan päällystysaseman konstruktio avainkomponenttien osalta. Ensin perehdyttiin alan kirjallisuuteen ja pyrittiin selvittämään päällystysmenetelmän konstruktiolle asettamia vaatimuksia. Tämän jälkeen pohdittiin rakenteen leveyden ja päällystysnopeuden lisäämisen tuomia ongelmia ja lopuksi ideoitiin havaittuihin ongelmiin ratkaisuja. Virtauskammion mitoituksen, ohikierron vaikutuksen ja virtausta tasoittavien elementtien mitoituksen selvittämiseksi tehtiin CFD laskenta newtonisella ja einewtonisella virtausaineella. Huomattiin painehäviön kasvattamisen ja tasauskammion lisäämisen parantavan päällysteprofiilia. Ohikierron lisäämisen todettiin heikentävän päällysteprofiilia erityisesti reunojen läheisyydessä. Virtauksen jako- ja tasauskammioiden muotoilua muutettiin tukkeutumisriskin pienentämiseksi. Rakenne kokee aina myös muodonmuutoksia paineen-, taipumien- tai lämpötilaerojen seurauksena. Näiden vaikutuksen selvittämiseksi applikointiosaa analysointiin FE -menetelmällä. Todettiin palkin pinnalla olevien lämpötilaerojen olevan suurin yksittäinen päällysteprofiiliin vaikuttava häiriölähde.

Laajakaistainen Vivaldi-antennielementti

Diplomityössä suunniteltiin, rakennettiin ja mitattiin laajakaistainen antennielementti lineaariseen antenniryhmään. Elementti toimii mikroaaltoalueella, ja sen kaistanleveys on noin 4,8:1. Elementti koostuu kaksipuolisesta eksponentiaalisesti taperoidusta rakoantennista eli Vivaldi-antennista ja laajakaistaisesta siirtymästä liuskajohdosta kaksipuoliseen rakojohtoon. Elementin koko pienimmällä käyttötaajuudella on noin 0,31 lambda kertaa 0,34 lambda, josta antennitorven koko on vain noin 0,21 lambda kertaa 0,21 lambda. Elementti suunniteltiin HFSS-simulointiohjelman avulla ja rakennettiin kahdesta erillisestä piirilevystä puristamalla nämä yhteen alumiinisella kehyksellä. Mittauksilla varmistettiin elementin toiminta ja simulointien luotettavuus. Osoitettiin, että elementti voidaan suunnitella simulointiohjelman avulla ja rakentaa työssä käytetyllä tavalla. Osoitettiin myös, että tarvittavaa mitoitussimulointien määrää voidaan vähentää yhdistämällä erikseen mitoitetut rakoantenni ja siirtymä. Lisäksi simuloinnein osoitettiin, että elementti toimii myös ryhmässä ja että sen toimintaa voidaan parantaa kehyksen avulla.

Lajittumisen dynamiikka epäpuhtauksien ja kuitujen painelajittelussa

Viimevuosina kuvantamistekniikat ovat kehittyneet huomattavasti. Näiden uusien tekniikoiden avulla voidaan tarkastella erilaisia prosesseja aiempaa tarkemmin. Painelajittelun teoriat perustuvat pääasiassa makrotason mittauksien pohjalta tehtyihin matemaattisiin malleihin, ja itse lajittumistapahtumaa ei ole aiemmin päästy kovinkaan tarkasti havainnoimaan. Tämän työn tavoitteena olikin selvittää lajittumistapahtumaa uuden kuvantamistekniikan avulla. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin lyhyesti painelajitin ja sen toiminta. Myös painelajittelun perusteoriat käytiin lyhyesti läpi. Teoriaosan pääpaino oli lajittumistapahtumassa ja siihen vaikuttavissa tekijöissä. Lisäksi teoriaosassa esiteltiin teollisen painelajittelun nykytilannetta, työtä varten tehdyn esiselvityksen pohjalta. Lajitinsimulaattorikoeajoissa selvitettiin kuitujen ja roskapartikkelien käyttäyty-mistä painelajittimessa kuvantamisen avulla. Kuvauksissa keskityttiin rakosihdin raon tapahtumiin, sekä sihtipinnan tapahtumiin. Kuvamateriaalista laskettiin kuitujen ja roskien liikenopeuksia lankasihtiprofiilin raossa, sekä sihdin pinnalla. Lisäksi tutkittiin kehänopeuden, tuotannon ja sakeuden vaikutusta liike-nopeuksiin. Kuvamateriaalista pyrittiin myös havainnoimaan mahdollista kuitujen takaisinvirtausta. Kuvantamisella saatiin uutta tietoa kuitujen ja roskapartikkelien liikkeestä painelajittimessa. Tuloksista kävi muun muassa ilmi, että roottorin elementin pienimmän välyksen kohdalla akseptoituu huomattava määrä massaa. Tämä selittyy sillä, että pienimmän välyksen kohta tuottaa huomattavan positiivisen painepulssin. Kuitujen ja roskapartikkelien nopeudet raossa noudattelivat muutenkin hyvin selkeästi elementin tuottamaa painepulssia. Lisäksi kuvamateriaalista havaittiin, että sihdin raon suulle kertyy profiilin korkuinen kuituflokki. Koko sihdin peittävää kuitumattoa ei havaittu.

Virranahto ja jänniterasitukset taajuusmuuttajakäytöissä

Nykyiset IGB-transistorit voivat tuottaa jopa 30 ns nousureunoja, jolloin jänniterasitus jakautuu hyvin epätasaisesti käämien ja kierrosten kesken. Tämä ja eristeissä esiintyvät ilmataskut asettavat käämikierrosten välisten eristeiden jännitekestävyyden koetukselle, ja aiheuttavat riskin osittaispurkaukselle. Urassa hajavuon epätasaisen jakauman aiheuttama virranahto on yleensä ollut esillä suurissa koneissa, jotka toimivat 50 Hz:llä. Nykyään taajuusmuuttajien soveltaminen on mahdollistanut nimellistaajuudeltaan satojen hertsien suurnopeuskoneiden käämitysten valmistamisen pyörölangasta, jolloin virranahto tulee merkittäväksi, koska kierroksia on muutama urassa. Työssä mitattiin jännitteen jakautumista 3.5 MW:n tuulivoimageneraattorin segmentissä käyttäen käämitysten syöttöön erilaisia jännitteen nousuaikoja, ja pyrittiin arvioimaan onko kyseinen kone vaarassa kokea osittaispurkauksia elinikänsä aikana. Työssä on myös käsitelty virranahtoa käyttäen finiittielementtimenetelmää simuloimaan ja vertaamaan erilaisia tilanteita käämitystavoissa pyörölankakoneessa. Tämä on myös osittain sovellettavissa muotokuparilla käämittyihin koneisiin. Käämivyyhdin vyyhdenpään alueella tehdyn johdinnipun 180 asteen kierron vaikutusta simuloitiin ja sen aiheuttamaa parannusta varmennettiin käytännön mittauksilla.

Märkäosan lisäaineet ja kuituflokit konesihdin ympäristössä

Painelajittelu on yksi yleisimmistä yksikköprosesseista paperin ja sellun valmistuksessa. Suurelta osin lajittimet toimivat niille asetettujen vaatimusten mukaisesti, mutta joissakin tapauksissa lajittimissa saattaa esiintyä ei-toivottavaa kuitujen kasautumista sekä kehräymän muodostusta. Niiden seurauksena lajittimien kapasiteetti alenee ja lajittelutulos heikkenee. Tämän työn tarkoituksena on uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen selvittää miten kehräymät ja kuitukasaumat syntyvät painelajittimen sihtipinnalla ja miten retentioaineen syöttö sihdin ympäristössä vaikuttaa niiden syntyyn. Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan painelajittimen toimintaa, rakennetta sekä lyhyen kierron konesihdin erityispiirteitä. Lisäksi tarkastellaan retentiokemikaalien käyttäytymistä leikkausvoimien alaisuudessa ja kuitukehräymien syntyä painelajittimissa. Kokeellisessa osassa on raportoitu kuvantamisjärjestelmällä saatuja tuloksia sekä esitetään havaintoja kehräymien ja kuitukasaumien synnystä ja niiden vaikutuksista painelajittimen toimintaan. Kuvausten perusteella voidaan sanoa, että kehräymän syntyminen sihdissä vaatii aina jonkinlaisen kuitukasauman olemassaoloa. Tällaista alkukasaumaa tarvitaan, jotta kuidut voivat ankkuroitua siihen kiinni ja johon kiinnittyneenä kuidut alkavat pyöriä virtauksessa muodostaen kehräymää. Kuitukasauman muodostuminen painelajittimessa johtuu pääosin sihdissä olevasta epäjatkuvuuskohdasta, massassa olevista epäpuhtauksista ja kuituflokeista jotka jäävät kiinni sihtipinnan aukkoihin tai lajittimen kapasiteetin ylittymisestä. Kehräymän syntyä kasauman jäljessä voidaan pitää enemmän sääntönä kuin poikkeuksena, mutta kehräytyminen on vähäisempää reikäsihdillä kuin rakosihdillä. Silloituspolymeerillä flokattu massa ei muodosta herkemmin kuitukasaumia sihtipintaan verrattuna flokkaamattomaan massaan. Lajiteltavan massan sakeuden nosto vähentää kuitukasaumien ja kehräymien syntyä. Kuitukasaumien ja kehräymien välttämiseksi on tärkeää, että sihtiä ei ajeta suunniteltua mitoitusaluetta suuremmilla tuotannoilla tai virtauksilla.

Concentrated Winding Multiphase Permanent Magnet Machine Design and Electromagnetic Properties – Case Axial Flux Machine

Concentrated winding permanent magnet machines and their electromagnetic properties are studied in this doctoral thesis. The thesis includes a number of main tasks related to the application of permanent magnets in concentrated winding open slot machines. Suitable analytical methods are required for the first design calculations of a new machine. Concentrated winding machines differ from conventional integral slot winding machines in such a way that adapted analytical calculation methods are needed. A simple analytical model for calculating the concentrated winding axial flux machines is provided. The next three main design tasks are discussed in more detail in the thesis. The magnetic length of the rotor surface magnet machines is studied, and it is shown that the traditional methods have to be modified also in this respect. An important topic in this study has been to evaluate and minimize the rotor permanent magnet Joule losses by using segmented magnets in the calculations and experiments. Determination of the magnetizing and leakage inductances for a concentrated winding machine and the torque production capability of concentrated winding machines with different pole pair numbers are studied, and the results are compared with the corresponding properties of integral slot winding machines. The thesis introduces a new practical permanent magnet motor type for industrial use. The special features of the machine are based on the option of using concentrated winding open slot constructions of permanent magnet synchronous machines in the normal speed ranges of industrial motors, for instance up to 3000 min-1, without excessive rotor losses. By applying the analytical equations and methods introduced in the thesis, a 37 kW 2400 min-1 12-slot 10-pole axial flux machine with rotor-surfacemounted magnets is designed. The performance of the designed motor is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Neurobiology of pathological gambling. Brain imaging and epidemiological studies

Pathological gambling, a form of behavioral addiction, refers to maladaptive, compulsive gambling behavior severely interfering with an individual’s normal life. The prevalence of pathological gambling has been estimated to be 1–2% in western societies. The reward deficiency hypothesis of addiction assumes that individuals that have, or are prone, to addictions have blunted mesolimbic dopamine reward signaling, which leads to compulsive reward seeking in an attempt to compensate for the malfunctioning brain reward network. In this research project, the effects of gambling were measured using brain [11C] raclopride PET during slot machine gambling and possible brain structural changes associated with pathological gambling using MRI. The subjects included pathological gamblers and healthy volunteers. In addition, impulse control disorders associated with Parkinson’s disease were investigated by using brain [18F]fluorodopa PET and conducting an epidemiological survey. The results demonstrate mesolimbic dopamine release during gambling in both pathological gamblers and healthy volunteers. Striatal dopamine was released irrespective of the gambling outcome, whether the subjects won or not. There was no difference in gambling induced dopamine release between pathological gamblers and control subjects, although the magnitude of the dopamine release correlated with gambling related symptom severity in pathological gamblers. The results also show that pathological gambling is associated with extensive abnormality of brain white matter integrity, as measured with diffusion tensor imaging, similar to substance-addictions. In Parkinson’s disease patients with impulse control disorders, enhanced brain [18F] fluorodopa uptake in the medial orbitofrontal cortex was observed, indicating increased presynaptic monoamine function in this region, which is known to influence signaling in the mesolimbic system and reward processing. Finally, a large epidemiological survey in Finnish Parkinson’s disease patients showed that compulsive behaviors are very common in Parkinson disease and they are strongly associated with depression. These findings demonstrate the role of dopamine in pathological gambling, without support for the concept of reward deficiency syndrome.