Reluktanssiverkkomalli kestomagneettitahtikoneen staattisen ilmavälivuontiheyden mallinnukseen

Kaikissa pyörivissä sähkömoottoreissa vääntömomentin tuoton kannalta olennainen magneettivuo kulkee staattorin ja roottorin välillä ilmavälin kautta. Ilmaväli mallinnetaan koneensuunnittelun yhteydessä tämän vuoksi tarkasti. Elementtimenetelmällä voidaan analysoida moottoreita varsin tarkasti, mutta menetelmän käyttö vie paljon aikaa ja sovittaminen muihin laskentaympäristöihin on usein hankalaa. Tämän vuoksi voidaan käyttää riittävän tarkkuuden omaavia analyyttisiä laskentamenetelmiä, joiden sovittaminen muihin ohjelmaympäristöihin on helpompaa kuin elementtimenetelmää käytettäessä. Diplomityössä kehitetään reluktanssiverkkomalli kestomagneettien aikaansaaman ilmavälivuontiheyden mallintamiseen kestomagneettitahtikoneille, joissa on pinta-asennetut kestomagneetit. Kehitetyn reluktanssiverkkomallin toimivuutta vertaillaan muihin ilmavälivuontiheyden laskentamenetelmiin.

Sähkökäyttöisen konejärjestelmän vuorovaikutteinen simulointi

Työn tavoitteena oli toteuttaa simulointimalli, jolla pystytään tutkimaan kestomagnetoidun tahtikoneen aiheuttaman vääntömomenttivärähtelyn vaikutuksia sähkömoottoriin liitetyssä mekaniikassa. Tarkoitus oli lisäksi selvittää kuinka kyseinen simulointimalli voidaan toteuttaa nykyaikaisia simulointiohjelmia käyttäen. Saatujen simulointitulosten oikeellisuus varmistettiin tätä työtä varten rakennetulla verifiointilaitteistolla. Tutkittava rakenne koostui akselista, johon kiinnitettiin epäkeskotanko. Epäkeskotankoon kiinnitettiin massa, jonka sijaintia voitiin muunnella. Massan asemaa muuttamalla saatiin rakenteelle erilaisia ominaistaajuuksia. Epäkeskotanko mallinnettiin joustavana elementtimenetelmää apuna käyttäen. Mekaniikka mallinnettiin dynamiikan simulointiin tarkoitetussa ADAMS –ohjelmistossa, johon joustavana mallinnettu epäkeskotanko tuotiin ANSYS –elementtimenetelmäohjelmasta. Mekaniikan malli siirrettiin SIMULINK –ohjelmistoon, jossa mallinnettiin myös sähkökäyttö. SIMULINK –ohjelmassa mallinnettiin sähkökäyttö, joka kuvaa kestomagnetoitua tahtikonetta. Kestomagnetoidun tahtikoneen yhtälöt perustuvat lineaarisiin differentiaaliyhtälöihin, joihin hammasvääntömomentin vaikutus on lisätty häiriösignaalina. Sähkökäytön malli tuottaa vääntömomenttia, joka syötetään ADAMS –ohjelmistolla mallinnettuun mekaniikkaan. Mekaniikan mallista otetaan roottorin kulmakiihtyvyyden arvo takaisinkytkentänä sähkömoottorin malliin. Näin saadaan aikaiseksi yhdistetty simulointi, joka koostuu sähkötoimilaitekäytöstä ja mekaniikasta. Tulosten perusteella voidaan todeta, että sähkökäyttöjen ja mekaniikan yhdistetty simulointi on mahdollista toteuttaa valituilla menetelmillä. Simuloimalla saadut tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia.

Kestomagneettitahtikoneen emulointi digitaalisella signaaliprosessorilla

Sähkökäytön suunnittelussa säätöä voidaan testata useassa tapauksessa reaaliaikasimulaattorilla todellisen laitteiston sijaan. Monet reaaliaikasimulaatioiden perustana käytetyt algoritmit soveltuvat täysinohjatulle invertterisillalle. Eräissä sovelluksissa halutaan kuitenkin käyttää puoliksiohjattua siltaa. Puoliksiohjattulla sillalla mallin kausaalisuus voi kääntyä, mitä perinteiset reaaliaikasimulaattorit eivät pysty simuloimaan Tässä työssä oli tavoitteena kehittää reaaliaikasimulaattori puoliksiohjatulle kestomagneettitahtikonekäytölle. Emulaattoriin mallinnettiin todellisen käytön kestomagneettitahtikone ja invertterisilta. Simulaattori toteutettiin digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP) ja mittauksiin liittyvät oheislaitteet mallinnettiin FPGA-piirille. Emulaattoriin liitettiin erillinen säätäjä, jota käytettiin myös todellisen sähkökäytön säätämiseen. Emulaattorilla ja todellisella käytöllä tehtyjä mittauksia verrattiin ja emuloimalla saadut tulokset vastasivat melko hyvin todellisesta käytöstä mitattuja.

Laakerivirrat kestomagneettitahtikoneissa

Diplomityössä on esitelty ja tutkittu laakerivirtailmiötä sähkökoneissa. Työn pääpaino on suurissa kestomagneettitahtikoneissa, joissa niin sanotut kiertävät laakerivirrat ovat dominoivia. Työssä on lisäksi tarkasteltu staattorin segmentoinnin aiheuttamia matalataajuisia kiertovirtoja. Laakerivirran ja akselijännitteen ehkäisyyn on esitetty sekä testattu mahdollisia ratkaisuja.

Taajuusmuuttajaohjattu kestomagneettitahtikone opetuslaboratoriokäytössä

Kestomagneettien kehittyminen on mahdollistanut sähkökoneen rakentamisen perinteisistä menetelmistä poiketen ja on samalla luonut uudenlaisia ominaisuuksia ja käyttökohteita. Erityisesti kestomagneettitahtikone (PMSM) on kasvattanut suosiota hyvän hyötysuhteen ja luotettavuuden myötä. Työssä esitellään kestomagneettitahtikonetta sen rakenteen ja toimintaperiaatteen avulla. Tarkastellaan kestomagneettien kehitystä ja tulevaisuuden näkymiä. Perehdytään myös taajuusmuuttajaan, mitä käytetään yleensä kestomagneettitahtikoneen ohjaukseen. Lisäksi esitetään taajuusmuuttajan erilaisia säätötapoja. Työn kokeellisessa osuudessa yliopiston opetuslaboratorioon kehitetään koneikko, jonka avulla tutkitaan kestomagneettitahtikoneen toimintaan osana sähkökäyttöä. Työn tavoitteena on selvittää PMSM:n ominaisuuksia sekä suunnitella sähkötekniikan työkurssille soveltuva mittaussarja, mikä johdattaa opiskelijat tässä työssä käsiteltyihin aihealueisiin.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä

Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä. Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus. Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta. Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan. Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin. Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Design and Material Selection of High-Speed Rotating Electrical Machines

The increasing emphasis on energy efficiency is starting to yield results in the reduction in greenhouse gas emissions; however, the effort is still far from sufficient. Therefore, new technical solutions that will enhance the efficiency of power generation systems are required to maintain the sustainable growth rate, without spoiling the environment. A reduction in greenhouse gas emissions is only possible with new low-carbon technologies, which enable high efficiencies. The role of the rotating electrical machine development is significant in the reduction of global emissions. A high proportion of the produced and consumed electrical energy is related to electrical machines. One of the technical solutions that enables high system efficiency on both the energy production and consumption sides is high-speed electrical machines. This type of electrical machines has a high system overall efficiency, a small footprint, and a high power density compared with conventional machines. Therefore, high-speed electrical machines are favoured by the manufacturers producing, for example, microturbines, compressors, gas compression applications, and air blowers. High-speed machine technology is challenging from the design point of view, and a lot of research is in progress both in academia and industry regarding the solution development. The solid technical basis is of importance in order to make an impact in the industry considering the climate change. This work describes the multidisciplinary design principles and material development in high-speed electrical machines. First, high-speed permanent magnet synchronous machines with six slots, two poles, and tooth-coil windings are discussed in this doctoral dissertation. These machines have unique features, which help in solving rotordynamic problems and reducing the manufacturing costs. Second, the materials for the high-speed machines are discussed in this work. The materials are among the key limiting factors in electrical machines, and to overcome this limit, an in-depth analysis of the material properties and behavior is required. Moreover, high-speed machines are sometimes operating in a harsh environment because they need to be as close as possible to the rotating tool and fully exploit their advantages. This sets extra requirements for the materials applied.

Multi-phase electric drives for mobility

Multi-phase electrical drives are potential candidates for the employment in innovative electric vehicle powertrains, in response to the request for high efficiency and reliability of this type of application. In addition to the multi-phase technology, in the last decades also, multilevel technology has been developed. These two technologies are somewhat complementary since both allow increasing the power rating of the system without increasing the current and voltage ratings of the single power switches of the inverter. In this thesis, some different topics concerning the inverter, the motor and the fault diagnosis of an electric vehicle powertrain are addressed. In particular, the attention is focused on multi-phase and multilevel technologies and their potential advantages with respect to traditional technologies. First of all, the mathematical models of two multi-phase machines, a five-phase induction machine and an asymmetrical six-phase permanent magnet synchronous machines are developed using the Vector Space Decomposition approach. Then, a new modulation technique for multi-phase multilevel T-type inverters, which solves the voltage balancing problem of the DC-link capacitors, ensuring flexible management of the capacitor voltages, is developed. The technique is based on the proper selection of the zero-sequence component of the modulating signals. Subsequently, a diagnostic technique for detecting the state of health of the rotor magnets in a six-phase permanent magnet synchronous machine is established. The technique is based on analysing the electromotive force induced in the stator windings by the rotor magnets. Furthermore, an innovative algorithm able to extend the linear modulation region for five-phase inverters, taking advantage of the multiple degrees of freedom available in multi-phase systems is presented. Finally, the mathematical model of an eighteen-phase squirrel cage induction motor is defined. This activity aims to develop a motor drive able to change the number of poles of the machine during the machine operation.

Control of permanent magnet linear synchronous motor in motion control applications

The aim of the thesis is to study the principles of the permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM) and to develop a simulator model of direct force controlled PMLSM. The basic motor model is described by the traditional two-axis equations. The end effects, cogging force and friction model are also included into the final motor model. Direct thrust force control of PMLSM is described and modelled. The full system model is proven by comparison with the data provided by the motor manufacturer.

Evaluation of the Efficiency of Line-Start Permanent-Magnet Machines as a Function of the Operating Temperature

The standard squirrel-cage induction machine has nearly reached its maximum efficiency. In order to further increase the energy efficiency of electrical machines, the use of permanent magnets in combination with the robust design and the line start capability of the induction machine is extensively investigated. Many experimental designs have been suggested in literature, but recently, these line-start permanent-magnet machines (LSPMMs) have become off-the-shelf products available in a power range up to 7.5 kW. The permanent magnet flux density is a function of the operating temperature. Consequently, the temperature will affect almost every electrical quantity of the machine, including current, torque, and efficiency. In this paper, the efficiency of an off-the-shelf 4-kW three-phase LSPMM is evaluated as a function of the temperature by both finite-element modeling and by practical measurements. In order to obtain stator, rotor, and permanent magnet temperatures, lumped thermal modeling is used.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Design of salient pole PM synchronous machines for a vehicle traction application – Analysis and

This doctoral thesis presents a study on the development of a liquid-cooled frame salient pole permanent-magnet-exited traction machine for a four-wheel-driven electric car. The emphasis of the thesis is put on a radial flux machine design in order to achieve a light-weight machine structure for traction applications. The design features combine electromagnetic and thermal design methods, because traction machine operation does not have a strict operating point. Arbitrary load cycles and the flexible supply require special attention in the design process. It is shown that accurate modelling of the machine magnetic state is essential for high-performance operation. The saturation effect related to the cross-saturation has to be taken carefully into account in order to achieve the desired operation. Two prototype machines have been designed and built for testing: one totally enclosed machine with a special magnet module pole arrangement and another through-ventilated machine with a more traditional embedded magnet structure. Both structures are built with magnetically salient structures in order to increase the torque production capability with the reluctance torque component. Both machine structures show potential for traction usage. However, the traditional embedded magnet design turns out to be mechanically the more secure one of these two machine options.

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.