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.

Eddy-current losses in rotor surface mounted permanent magnets

The aim of the work is to study the existing analytical calculation procedures found in literature to calculate the eddy-current losses in surface mounted permanent magnets within PMSM application. The most promising algorithms are implemented with MATLAB software under the dimensional data of LUT prototype machine. In addition finite elements analyze, utilized with help of Flux 2D software from Cedrat Ltd, is applied to calculate the eddy-current losses in permanent magnets. The results obtained from analytical methods are compared with numerical results.

Erikoissähkökoneen tyyppitestaus

Uusien erikoissähkökoneiden testaus perinteisten standardien mukaan on osittain haasteellista. Erikoissähkökoneille, kuten kestomagneettitahtikoneelle ei ole esitetty suoranaisia standardin vaatimia testejä, joten siihen joudutaan soveltamaan olemassa olevia erillismagnetoiduntahtikoneen standardeja. Testien tavoitteena on olla luotettavia sekä vertailukelpoisia. Mittausten on oltava toistettavissa. Mittaustavasta riippuen voidaan saada erilaisia tuloksia, jotka vaikuttavat lopputulokseen. Standardien mukaisessa testauksessa saadaan mittauksista samanlaisia ja samalla saadaan mittausvirheen mahdollisuus pienemmäksi ja tällä tavoin tulokset keskenään vertailukelpoisemmiksi. Tässä työssä tarkastellaan kahta erilaista erikoissähkokonetta, kestomagneettitahtikonetta ja massiiviroottoriepätahtikonetta. Työssä selvitetään standardin IEC 60034 soveltuvuutta tyyppitesteihin, joita kyseiset konetyypit vaativat. Lisäksi työssä vertaillaan standardin IEC 60034 mukaisen hyötysuhteen määrittämistä. Se antaakin useita vaihtoehtoja hyötysuhteen määrittämiselle.

Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Kestomagneettikoneen roottorin väsymisanalyysi

Työn tavoitteena oli luoda työkalu kestomagneettikoneiden roottoreiden väsymisen analysointia varten. Työkalu toteutettiin siten, että siihen voidaan liittää oikeasta koneesta mitattu kuormitusdata, sekä tarvittavat materiaalitiedot. Kuormitusdata muunnetaan työkalussa jännityshistoriaksi käyttämällä elementtimenetelmän avulla laskettavaa skaalauskerrointa. Kestoiän laskemiseen analyysityökalu käyttää jännitykseen perustuvaa menetelmää sekä rainflowmenetelmää ja Palmgren-Minerin kumulatiivista vauriosääntöä. Lisäksi työkalu tekee tutkittavalle tapaukselle Smithin väsymislujuuspiirroksen. Edellä mainittujen menetelmien lisäksi työn teoriaosassa esiteltiin väsymisanalyysimenetelmistä myös paikalliseen venymään perustuva menetelmä sekä murtumismekaniikka. Nämä menetelmät jäivät monimutkaisuutensa vuoksi toteuttamatta työkalussa. Väsymisanalyysityökalulla laskettiin kestoiät kahdelle esimerkkitapaukselle. Kummassakin tapauksessa saatiin tulokseksi ääretön kestoikä, mutta aksiaalivuokoneen roottorin dynaaminen varmuus oli pieni. Vaikka tulokset vaikuttavat järkeviltä, ne olisi vielä hyvä verifioida esimerkiksi kaupallisen ohjelmiston avulla täyden varmuuden saamiseksi.

Tuulivoimalan staattoripakan puristusrakenteen kehittäminen

Diplomityössä tutkittiin voidaanko tuulivoimalan generaattorin staattoripakan puristamisessa hyödyntää komposiittista rakenneratkaisua. Tyypillisesti generaattorissa staattorin teräslevyt puristetaan erilaisilla teräsrakenteilla toisiaan vasten. Tavoitteena oli selvittää, voidaanko puristavan komposiittirakenteen osana hyödyntää liimaliitosta tai laminoitua liitosta. Tarkoitus oli etsiä rakenteeseen soveltuva liima ja liimaliitoksen arvot tai laminoitu rakenne ja sille soveltuvat materiaalit ja suoritustapa. Työssä on perehdytty erilaisiin tuulivoimalatyyppeihin, sekä niissä käytettäviin kesto- ja vierasmagnetoituihin generaattorityyppeihin. Tämän lisäksi on tarkasteltu niissä käytettävien staattorien valmistusvaihtoehtoja ja syitä miksi niissä olevat teräslevyt on puristettava toisiaan vasten. Samalla on luotu katsaus nykyisin käytössä oleviin rakenteisiin, joilla puristus voidaan toteuttaa. Liimauksesta on käsitelty perusteoriaa, sekä seikkoja jotka vaikuttavat liimaliitoksen kestoon. Työssä tutkittavaan liitokseen soveltuvien liimojen ominaisuuksia on käsitelty. Myös laminoituun liitokseen jo aiemmin kovettuneeseen komposiittiin on perehdytty. Tutkittavaan rakenteeseen soveltuvia hartsi- ja lasikuitutyyppejä on esitelty. Komposiittien mekaaniseen liittämiseen on lyhyesti perehdytty. Työssä suoritettiin useita vetokokeita, joilla selvitettiin puristusrakenteen tutkimista varten valmistettujen koekappaleiden suurin vetokuormankesto. Vetokokeiden perusteella voitiin valita soveltuvin rakenne staattorin puristamiseksi.

Kestomagneettitahtigeneraattorin kannattavuustarkastelu vesivoimalaitoksen saneerauksen yhteydessä

Työssä vertaillaan kestomagneettitahtigeneraattorin kannattavuutta suhteessa perinteiseen erillismagnetoituun tahtigeneraattoriin. Sähkön markkinahinnan nousu tulevaisuudessa, pakottaa etsimään uusia ratkaisuja jo olemassa olevien vesivoimalaitosten hyötysuhteen parantamiseksi. Hyötysuhteeseen vaikuttavat laitoksen mekaaniset ja sähköiset häviöt. Työn kohteena olevan vesivoimalaitoksen saneeraus on ajankohtainen lähivuosina, ja samalla avautuu mahdollisuus vaihtaa myös vanha erillismagnetoitu tahtigeneraattori uudempaan kestomagneeteilla toteutettuun. Työssä tarkastellaan kalliimman investoinnin kannattavuutta suhteessa kasvavaan energian tuotantoon. Tarkastelujaksolla lisääntyneen vuosituotannon osuuden rahallista arvoa verrataan investointihetken kustannuksiin. Työn edetessä havaittiin, että virtaamamäärän lisäyksellä on vahva rooli kannattavuutta laskettaessa. Pienillä virtaamilla ei saavuteta riittävää tuottoa ilman mekaanisen hyötysuhteen parantamista. Pelkästään generaattorityypin vaihto ei tällä hetkellä kannata, kun nykyisellä generaattorilla on käyttöaikaa jäljellä kymmeniä vuosia. Tilanne voi muuttua kannattavaksi esimerkiksi äkillisen generaattorivaurion myötä.

Modal testing and numerical modeling of the dynamic properties of layered sheet-steel structure

Recently, due to the increasing total construction and transportation cost and difficulties associated with handling massive structural components or assemblies, there has been increasing financial pressure to reduce structural weight. Furthermore, advances in material technology coupled with continuing advances in design tools and techniques have encouraged engineers to vary and combine materials, offering new opportunities to reduce the weight of mechanical structures. These new lower mass systems, however, are more susceptible to inherent imbalances, a weakness that can result in higher shock and harmonic resonances which leads to poor structural dynamic performances. The objective of this thesis is the modeling of layered sheet steel elements, to accurately predict dynamic performance. During the development of the layered sheet steel model, the numerical modeling approach, the Finite Element Analysis and the Experimental Modal Analysis are applied in building a modal model of the layered sheet steel elements. Furthermore, in view of getting a better understanding of the dynamic behavior of layered sheet steel, several binding methods have been studied to understand and demonstrate how a binding method affects the dynamic behavior of layered sheet steel elements when compared to single homogeneous steel plate. Based on the developed layered sheet steel model, the dynamic behavior of a lightweight wheel structure to be used as the structure for the stator of an outer rotor Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator designed for high-power wind turbines is studied.

Application of Carbon Nanotubes in Rotating Electrical Machines

Demand for increased energy efficiency has put an immense need for novel energy efficient systems. Electrical machines are considered as a much matured technology. Further improvement in this technology needs of finding new material to incorporate in electrical machines. Progress of carbon nanotubes research over the latest decade can open a new horizon in this aspect. Commonly known as ‘magic material’, carbon nanotubes (CNTs) have promising material properties that can change considerably the course of electrical machine design. It is believed that winding material based on carbon nanotubes create the biggest hope for a giant leap of modern technology and energy efficient systems. Though carbon nanotubes (CNTs) have shown amazing properties theoretically and practically during the latest 20 years, to the best knowledge of the author, no research has been carried out to find the future possibilities of utilizing carbon nanotubes as conductors in rotating electrical machines. In this thesis, the possibilities of utilizing carbon nanotubes in electrical machines have been studied. The design changes of electrical machine upon using carbon nanotubes instead of copper have been discussed vividly. A roadmap for this carbon nanotube winding machine has been discussed from synthesis, manufacturing and operational points of view.

Hysteresis Losses in Sintered NdFeB Permanent Magnets in Rotating Electrical Machines

Permanent magnet materials are nowadays widely used in the electrical machine manufacturing industry. Eddy current loss models of permanent magnets used in electrical machines are frequently discussed in research papers. In magnetic steel materials we have, in addition to eddy current losses, hysteresis losses when AC or a rotating flux travels through the material. Should a similar phenomenon also be taken into account in calculating the losses of permanent magnets? Actually, every now and then authors seem to assume that some significant hysteresis losses are present in rotating machine PMs. This paper studies the mechanisms of possible hysteresis losses in PMs and their role in PMs when used in rotating electrical machines.

Estratégia de conversor para interligação de sistemas de geração eólica à rede elétrica

Currently, there are several power converter topologies applied to wind power generation. The converters allow the use of wind turbines operating at variable speed, enabling better use of wind forces. The high performance of the converters is being increasingly demanded, mainly because of the increase in the power generation capacity by wind turbines, which gave rise to various converter topologies, such as parallel or multilevel converters. The use of converters allow effective control of the power injected into the grid, either partially, for the case using partial converter, or total control for the case of using full converter. The back-to-back converter is one of the most used topologies in the market today, due to its simple structure, with few components, contributing to robust and reliable performance. In this work, is presented the implementation of a wind cogeneration system using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) associated with a back-to-back power converter is proposed, in order to inject active power in an electric power system. The control strategy of the active power delivered to the grid by cogeneration is based on the philosophy of indirect control

A comparative study of MPPT strategies and a novel singlephase integrated buck-boost inverter for small wind energy conversion systems

This paper presents the analysis of some usual MPPT (Maximum Power Point Tracking) strategies intended for small wind energy conversion (up to 1kW) based on permanent magnet synchronous generators (PMSG), considering the stand-alone application for a novel buck-boost integrated inverter. Each MPPT method is analytically introduced and then it is simulated using MatLab/Simulink considering standard conditions of wind and also commercially available turbines and generators. The extracted power in each case is compared with the maximum available power, so the tracking factor is calculated for each method. Thus, the focus is on the application to improve the efficiency of stand-alone wind energy conversion systems (WECS) with battery chargers and AC load supplied by inverter. Therefore, for this purpose a novel single phase buck-boost integrated inverter is introduced. Finally, the main experimental results for the introduced inverter are presented. © 2011 IEEE.

Bancada experimental para ensaios em geradores elétricos utilizados em aerogeradores de pequeno porte

Este trabalho apresenta uma bancada para testes em geradores elétricos, utilizados em aerogeradores de pequeno porte. O sistema é composto basicamente por um motor de indução trifásico, que simula um rotor eólico, acoplado mecanicamente ao gerador elétrico submetido ao ensaio; um inversor de frequência, usado para variação da velocidade do motor; transdutores de grandezas elétricas, que efetuam a medição dos parâmetros de interesse (tensões e correntes instantâneas) na saída do gerador; um sensor de velocidade angular, para medição da rotação que é fornecida ao eixo do motor; um microcomputador, para monitoração e armazenamento dos parâmetros medidos, e controle do inversor de frequência, por meio de um programa computacional desenvolvido; e uma placa de aquisição de dados, que serve como interface entre os transdutores/sensores e o microcomputador. A velocidade angular fornecida ao gerador em ensaio pode ser variada conforme valores fornecidos de velocidades de vento, as quais são associadas a valores correspondentes de rotação, a fim de simular o comportamento de um rotor eólico. Dessa forma, é possível traçar a curva de potência (potência versus velocidade de vento) do gerador ensaiado e analisar seu desempenho. Apresenta-se também neste trabalho os resultados de medições realizadas na bancada, referentes aos ensaios de um gerador comercial de pequena potência (1 kW) e de outro desenvolvido em projeto de pesquisa, ambos do tipo de imã permanente com fluxo axial.

Direct current ripple compensation for multi-phase fault-tolerant machines

A second-harmonic direct current (DC) ripple compensation technique is presented for a multi-phase, fault-tolerant, permanent magnet machine. The analysis has been undertaken in a general manner for any pair of phases in operation with the remaining phases inactive. The compensation technique determines the required alternating currents in the machine to eliminate the second-harmonic DC-link current, while at the same time minimising the total rms current in the windings. An additional benefit of the compensation technique is a reduction in the magnitude of the electromagnetic torque ripple. Practical results are included from a 70 kW, five-phase generator system to validate the analysis and illustrate the performance of the compensation technique.

Rotor retaining sleeve design for a 1.12-MW high-speed PM machine

Permanent-magnet (PM) synchronous machines (PMSMs) can provide excellent performance in terms of torque density, energy efficiency, and controllability. However, PMs on the rotor are prone to centrifugal force, which may break their physical integrity, particularly at high-speed operation. Typically, PMs are bound with carbon fiber or retained by alloy sleeves on the rotor surface. This paper is concerned with the design of a rotor retaining sleeve for a 1.12-MW 18-kr/min PM machine; its electromagnetic performance is investigated by the 2-D finite-element method (FEM). Theoretical and numerical analyses of the rotor stress are carried out. For the carbon fiber protective measure, the stresses of three PM configurations and three pole filler materials are compared in terms of operating temperature, rotor speed, retaining sleeve thickness, and interference fit. Then, a new hybrid protective measure is proposed and analyzed by the 2-D FEM for operational speeds up to 22 kr/min (1.2 times the rated speed). The rotor losses and machine temperatures with the carbon fiber retaining sleeve and the hybrid retaining sleeve are compared, and the sleeve design is refined. Two rotors using both designs are prototyped and experimentally tested to validate the effectiveness of the developed techniques for PM machines. The developed retaining sleeve makes it possible to operate megawatt PM machines at high speeds of 22 kr/min. This opens doors for many high-power high-speed applications such as turbo-generator, aerospace, and submarine motor drives.