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.

Identification of Some Additional Loss Components in High-Power Low-Voltage Permanent Magnet Generators

Permanent magnet generators (PMG) represent the cutting edge technology in modern wind mills. The efficiency remains high (over 90%) at partial loads. To improve the machine efficiency even further, every aspect of machine losses has to be analyzed. Additional losses are often given as a certain percentage without providing any detailed information about the actual calculation process; meanwhile, there are many design-dependent losses that have an effect on the total amount of additional losses and that have to be taken into consideration. Additional losses are most often eddy current losses in different parts of the machine. These losses are usually difficult to calculate in the design process. In this doctoral thesis, some additional losses are identified and modeled. Further, suggestions on how to minimize the losses are given. Iron losses can differ significantly between the measured no-load values and the loss values under load. In addition, with embedded magnet rotors, the quadrature-axis armature reaction adds losses to the stator iron by manipulating the harmonic content of the flux. It was, therefore, re-evaluated that in salient pole machines, to minimize the losses and the loss difference between the no-load and load operation, the flux density has to be kept below 1.5 T in the stator yoke, which is the traditional guideline for machine designers. Eddy current losses may occur in the end-winding area and in the support structure of the machine, that is, in the finger plate and the clamping ring. With construction steel, these losses account for 0.08% of the input power of the machine. These losses can be reduced almost to zero by using nonmagnetic stainless steel. In addition, the machine housing may be subjected to eddy current losses if the flux density exceeds 1.5 T in the stator yoke. Winding losses can rise rapidly when high frequencies and 10–15 mm high conductors are used. In general, minimizing the winding losses is simple. For example, it can be done by dividing the conductor into transposed subconductors. However, this comes with the expense of an increase in the DC resistance. In the doctoral thesis, a new method is presented to minimize the winding losses by applying a litz wire with noninsulated strands. The construction is the same as in a normal litz wire but the insulation between the subconductors has been left out. The idea is that the connection is kept weak to prevent harmful eddy currents from flowing. Moreover, the analytical solution for calculating the AC resistance factor of the litz-wire is supplemented by including an end-winding resistance in the analytical solution. A simple measurement device is developed to measure the AC resistance in the windings. In the case of a litz-wire with originally noninsulated strands, vacuum pressure impregnation (VPI) is used to insulate the subconductors. In one of the two cases studied, the VPI affected the AC resistance factor, but in the other case, it did not have any effect. However, more research is needed to determine the effect of the VPI on litz-wire with noninsulated strands. An empirical model is developed to calculate the AC resistance factor of a single-layer formwound winding. The model includes the end-winding length and the number of strands and turns. The end winding includes the circulating current (eddy currents that are traveling through the whole winding between parallel strands) and the main current. The end-winding length also affects the total AC resistance factor.

Wind Turbine Direct-Drive Permanent-Magnet Generator with Direct Liquid Cooling for Mass Reduction

Today’s electrical machine technology allows increasing the wind turbine output power by an order of magnitude from the technology that existed only ten years ago. However, it is sometimes argued that high-power direct-drive wind turbine generators will prove to be of limited practical importance because of their relatively large size and weight. The limited space for the generator in a wind turbine application together with the growing use of wind energy pose a challenge for the design engineers who are trying to increase torque without making the generator larger. When it comes to high torque density, the limiting factor in every electrical machine is heat, and if the electrical machine parts exceed their maximum allowable continuous operating temperature, even for a short time, they can suffer permanent damage. Therefore, highly efficient thermal design or cooling methods is needed. One of the promising solutions to enhance heat transfer performances of high-power, low-speed electrical machines is the direct cooling of the windings. This doctoral dissertation proposes a rotor-surface-magnet synchronous generator with a fractional slot nonoverlapping stator winding made of hollow conductors, through which liquid coolant can be passed directly during the application of current in order to increase the convective heat transfer capabilities and reduce the generator mass. This doctoral dissertation focuses on the electromagnetic design of a liquid-cooled direct-drive permanent-magnet synchronous generator (LC DD-PMSG) for a directdrive wind turbine application. The analytical calculation of the magnetic field distribution is carried out with the ambition of fast and accurate predicting of the main dimensions of the machine and especially the thickness of the permanent magnets; the generator electromagnetic parameters as well as the design optimization. The focus is on the generator design with a fractional slot non-overlapping winding placed into open stator slots. This is an a priori selection to guarantee easy manufacturing of the LC winding. A thermal analysis of the LC DD-PMSG based on a lumped parameter thermal model takes place with the ambition of evaluating the generator thermal performance. The thermal model was adapted to take into account the uneven copper loss distribution resulting from the skin effect as well as the effect of temperature on the copper winding resistance and the thermophysical properties of the coolant. The developed lumpedparameter thermal model and the analytical calculation of the magnetic field distribution can both be integrated with the presented algorithm to optimize an LC DD-PMSG design. Based on an instrumented small prototype with liquid-cooled tooth-coils, the following targets have been achieved: experimental determination of the performance of the direct liquid cooling of the stator winding and validating the temperatures predicted by an analytical thermal model; proving the feasibility of manufacturing the liquid-cooled tooth-coil winding; moreover, demonstration of the objectives of the project to potential customers.

Hiilinanojohteiden makroskooppinen johtavuus

Hiilinanojohteet ovat sähkönjohteita, joiden valmistuksessa on käytetty hiilinanoputkia, eli yhden atomikerroksen paksuisesta hiiliatomiverkosta koostuvia rakenteita. Hiilinanoputket ovat viime vuosina keränneet suurta mielenkiintoa erinomaisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta. Tämän työn tavoitteena on selvittää, voitaisiinko hiilinanojohteiden sähkönjohtavuus saada riittävälle tasolle, jotta niillä saatettaisiin korvata nykyisiä kuparista valmistettuja johteita. Vaikka kuparilla on erinomainen johtavuus, sen käytöllä on omat heikkoutensa, kuten korkea hinta, virran ahtautuminen, suuri tiheys ja heikko mekaaninen kestävyys. Hiilinanojohteet voisivat olla yksi osa-alue kehitettäessä uusia energiatehokkaita ja ympäristöystävällisiä laitteita nyky-yhteiskunnan tarpeisiin. Työn tulosten perusteella voidaan todeta, että nykyisten hiilinanojohteiden sähkönjohtavuus on yhä liian pieni laajamittaiseen käyttöön. Johtavuus on kuitenkin lisääntynyt jatkuvasti viime vuosina. Kehitystyön avulla hiilimateriaalin potentiaalia saadaan hyödynnettyä koko ajan enemmän, ja ajan myötä hiilijohteista voi tulla varteenotettava kilpailija perinteisille johdemateriaaleille. Hiilinanojohteet tulevat luultavasti aluksi yleistymään käyttökohteissa, joissa niiden muut ominaisuudet täydentävät hyvin sähkönjohtavuutta.

Piirilevyn suunnittelu suurelle virralle DC/DC-muuntimeen

Ajoneuvoissa, kuten busseissa, käytetään yleensä 24 VDC järjestelmiä ja tämä ei muutu myöskään sähköajoneuvojen kohdalla. Sähköajoneuvoissakin tarvitaan siis 24 VDC matalajänniteakustoja valoille, pyyhkijöille ja muille matalan jännitteen järjestelmille. Lisäksi sähköajoneuvoissa on esimerkiksi ilmastointi ja paineilmankompressori, jotka tarvitsevat taajuusmuuttajan pyörittämään niitä. Tässä työssä suunnitellaan suuren virran piilevy DC/DC-muuntimeen, joka on osa ajoneuvokäyttöön suunnitellun invertterin ja DC/DC-muuntimen yhdistelmälaitetta. Työn pääpaino on piirilevyn suunnittelussa, mutta työssä kerrotaan lyhyesti koko laitteen kytkentä ja käyttötarkoitus. Työssä kerrotaan myös tehopiirilevylle tulevien komponenttien valinta, mitoitus ja jäähdytys. Käydään läpi suuren virran piirilevysuunnittelun mitoitusperiaatteet ja mitä seikkoja siinä erityisesti tulee ottaa huomioon. Lisäksi käsitellään piirilevyn liityntöjä ja virtakiskojen lämpenemää virranahtautumisen takia. Suunniteltua piirilevyä mitataan ja sen toimintaa kokeillaan prototyyppilaitteessa. Protoyyppilaitteella havaitaan virtakiskojen lämpenevän liikaa ja huomataan ongelma kytkenssä. Kytkentää korjattiin ja toimintaa analysoitiin uudestaan, jonka jälkeen havaittiin piirilevyn lämpenemän tippuneen 20 °C. Lopputuloksena piirilevyn lämpenemä, korjatulla kytkennällä, on suunnitellun mukainen. Lopussa esitetään piirilevyn korvaamista moduuliratkaisulla laitteen parantamiseksi sarjatuotantoon.