Computational Problems in Simulation of Electrical Machines

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Perkkiö, Lauri
dc.date.accessioned 2021-01-05T10:35:58Z
dc.date.available 2021-01-05T10:35:58Z
dc.date.issued 2020
dc.identifier.isbn 978-952-64-0165-2 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-64-0164-5 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/101757
dc.description.abstract This thesis deals with computational challenges related to simulation of electrical machines. Electromagnetic fields and heat conduction in the machines are modeled by partial differential equations (PDEs), which are treated numerically by using the finite element (FE) method combined with appropriate time integration schemes. The uniting theme of this work is the prediction of iron losses in electrical machines. Simulating energy losses and mechanical torque in an electrical machine involves computation of the energy in the system, and a time integration method may introduce numerical errors in such computations. Additional complications are caused by a moving subdomain in a machine, and the fact that the resulting discretized problem does not lead into a system of ordinary differential equations (ODEs), but to a differential-algebraic equation (DAE). All this has to be taken into account to construct proper time integration schemes, which is the first topic of thesis. A core of an electrical machine often consists of a hysteretic ferromagnetic material. Conventionally, hysteresis is neglected in electromagnetic simulations, as its inclusion is complicated and computationally expensive. In this thesis, we propose and test numerically a method to incorporate the Jiles-Atherton magnetic hysteresis model into a FE simulation. The last article approaches the iron loss prediction from an inverse problem perspective. The iron loss acts as an unknown heat source term in the heat equation, and the source is reconstructed from a limited number of temperature measurements conducted on and inside the machine. A computational framework and temperature sensor placement optimization is proposed and numerically tested in the thesis. en
dc.description.abstract Tässä väitöskirjassa käsitellään sähkökoneiden mallintamiseen liittyviä laskennallisia haasteita. Koneissa esiintyviä sähkömagneettisia kenttiä ja lämmönjohtumista kuvataan osittaisdifferentiaaliyhtälöillä (ODY), joita ratkaistaan numeerisesti elementtimenetelmän ja sopivan aikaintegrointimenetelmän avulla. Tätä kirjaa yhdistävä teema on sähkökoneissa esiintyvien rautahäviöiden mallinnus. Sähkökoneen energiahäviöiden ja vääntömomentin laskeminen edellyttää systeemin energian laskentaa numeerisesti. Tämä liittyy käytettyihin aikaintegroimismenetelmiin, jotka voivat aiheuttaa numeerista virhettä energian laskennassa. Ongelman monimutkaisuutta lisää muuttuva laskenta-alue pyörivässä sähkökoneessa, ja se, että diskretisaatiosta seuraava ongelma ei ole tavallinen differentiaaliyhtälö, vaan differentiaalialgebrallinen yhtälö. Näiden asioiden huomioonottaminen on yksi tämän kirjan aiheista. Sähkökoneen ydin koostuu usein hystereettisestä ferrogmagneettisesta materiaalista. Tavallisesti, tätä ei oteta simulaatioissa suoraan huomioon, koska se vaatii huomattavaa laskennallista lisätyötä. Tässä työssä ehdotamme ja testaamme numeerisesti uutta laskennallista menetelmää, jonka avulla Jiles-Atherton hystereesimallia voidaan käyttää elementtimenetelmään perustuvassa simulaatiossa. Kirjan viimeisessä artikkelissa rautahäviön määrittäminen muotoillaan inversio-ongelmana. Rautahäviötä käsitellään lämpöyhtälön tuntemattomana lähdeterminä, ja tämä lähde pyritään rekonstruoimaan rajallisesta määrästä lämpötilamittauksia koneen pinnalla ja sen sisällä. Inversio-ongelman ratkaisuun ja lämpötilamittauksien sijainnin optimointiin annetaan laskennalliset puitteet, ja menetelmiä testataan numeerisesti. fi
dc.format.extent 41 + app. 67
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 200/2020
dc.relation.haspart [Publication 1]: Paavo Rasilo, Lauri Perkkiö, Antti Hannukainen, Bishal Silwal, Timo Eirola, Antero Arkkio. Instantaneous Power Balance in Finite-Element Simulation of Electrical Machines. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 50, May 2014. DOI: 10.1109/TMAG.2013.2294945
dc.relation.haspart [Publication 2]: Lauri Perkkiö, Paavo Rasilo, Bishal Silwal, Antti Hannukainen, Antero Arkkio, Timo Eirola. Energy-Preserving Methods and Torque Computation From Energy Balance in Electrical Machine Simulations. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 52, August 2016.DOI: 10.1109/TMAG.2016.2537263
dc.relation.haspart [Publication 3]: Lauri Perkkiö, Brijesh Upadhaya, Antti Hannukainen, Paavo Rasilo. Stable Adaptive Method to Solve FEM Coupled With Jiles–Atherton Hysteresis Model. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 54, February 2018. DOI: 10.1109/TMAG.2017.2782214
dc.relation.haspart [Publication 4]: Antti Hannukainen, Nuutti Hyvönen, Lauri Perkkiö. Inverse Heat Source Problem and Experimental Design for Determining Iron Loss Distribution.Submitted to SIAM Journal on Scientific Computing, April 6th 2020
dc.subject.other Mathematics en
dc.title Computational Problems in Simulation of Electrical Machines en
dc.title Laskennallisia ongelmia sähkökoneiden numeerisessa mallintamisessa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Matematiikan ja systeemianalyysin laitos fi
dc.contributor.department Department of Mathematics and Systems Analysis en
dc.subject.keyword electric machines en
dc.subject.keyword FEM en
dc.subject.keyword inverse problem en
dc.subject.keyword numerical methods en
dc.subject.keyword inversio-ongelma fi
dc.subject.keyword numeeriset menetelmät fi
dc.subject.keyword sähkökoneet fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-64-0165-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Hannukainen, Antti, Asst. Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, Finland
dc.opn de Gersem, Herbert, Prof., Technische Universität Darmstadt, Germany
dc.contributor.lab Applied mathematics en
dc.rev Kurz, Stefan, Prof., Technische Universität Darmstadt, Germany
dc.rev Petra, Noemi, Assoc. Prof., University of California, USA
dc.date.defence 2021-01-22
local.aalto.formfolder 2021_01_05_klo_10_23
local.aalto.archive yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse