Power Balance in the Finite Element Analysis of Electrical Machines

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Belahcen, Anouar, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.contributor.advisor Rasilo, Paavo, Assit. Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.contributor.author Silwal, Bishal
dc.date.accessioned 2017-05-17T09:02:09Z
dc.date.available 2017-05-17T09:02:09Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7432-0 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7433-7 (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/123456789/26234
dc.description.abstract This dissertation deals with the study of the power balance in the numerical simulations of electrical machines. In the numerical analysis of electrical machines using the finite element method, several methods and techniques to compute torque and force exist, but the existing methods are not free from accuracy issues. In this dissertation, approaches based on the power balance of the machine to obtain torque and force are presented, and the possibility to use the power balance approach to validate the existing methods is shown. Both healthy machines and machines with an eccentric rotor have been considered. The applicability of the power balance approach to study the electromagnetic damping of the mechanical vibrations during eccentricity is also assessed. This dissertation carefully compares a conventional torque and force computation method and the power balance approach, based on the finite element mesh used in the air gap of the machine during simulations. Variations in the air gap mesh is brought by changing the number of layers of elements and the layer used for the rotation of the rotor and for the torque and force computation. Results show that the conventional method suffers from an accuracy issue mainly related to the finite element discretization of the air gap of the machine. Variations in the air gap mesh do not affect torque from the power balance. However, force computation from the power balance is not yet robust. The influence of the rotor eccentricity on the torque of the machine was also studied. Results show that an eccentric machine does not exhibit the same torque as a healthy machine. The harmonic components around the principal slot harmonic are most affected. In this thesis, a measurement set-up to measure the torque harmonics of a machine was designed. The measured results were compared with the simulated results. en
dc.description.abstract Väitöskirja tutkii tehotasapainon käyttöä sähkökoneiden numeerisessa simuloinnissa. Voimien ja vääntömomentin laskemiseen on kehitetty useita elementtimenetelmään perustuvia numeerisia malleja, mutta niihin kaikkiin sisältyy epätarkkuuksia. Tämä väitöskirja esittää tehotasapainoon perustuvia menetelmiä voimien ja vääntömomentin laskemiseen, ja lisäksi näyttää että tehotasapainoa voi käyttää olemassa olevien mallien validointiin. Työssä tutkitaan sekä ehjiä sähkökoneita, että koneita joiden roottori on epäkeskinen. Lisäksi työ arvioi tehotasapainon soveltuvuutta mekaanisten värähtelyjen sähkömagneettisen vaimentumisen tutkimukseen. Väitöskirja vertailee tehotasapainomenetelmää perinteisiin voima- ja vääntömomenttilaskentamalleihin keskittyen erityisesti simulaatioissa käytettyyn ilmaväliverkkoon. Työssä tutkitaan miten tulokset riippuvat verkon elementtikerrosten lukumäärästä, tai siitä mitä elementtikerrosta käytetään voima-ja vääntömomenttilaskentaan tai roottorin liikkeen mallintamiseen. Analyysin perusteella perinteisten menetelmien tarkkuus riippuu voimakkaasti koneen ilmaväliverkon rakenteesta. Sen sijaan tehotasapainomenetelmällä laskettu vääntömomentti ei riipu verkon rakenteesta, joskaan voimalaskenta ei ole vielä robustia. Myös epäkeskisen roottorin vaikutusta koneen vääntömomenttiin tutkittiin. Tulosten mukaan epäkeskisen koneen vääntömomentti eroaa ehjän koneen vääntömomentista. Suurimmat erot havaittiin vääntömomenttiyliaalloissa, jotka liittyvät ensimmäiseen urayliaaltoon. Lisäksi työssä suunniteltiin mittausjärjestely vääntömomenttiyliaaltojen analysointiin, ja mittaustuloksia verrattiin simuloituihin arvoihin. fi
dc.format.extent 90 + app. 54
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 93/2017
dc.relation.haspart [Publication 1]: Silwal Bishal, Rasilo Paavo, Perkkiö Lauri, Oksman Miika, Hannukainen Antti, Eirola Timo, and Arkkio Antero (2014), Computation of Torque of an Electrical Machine with Different Types of Finite Element Mesh in the Air Gap, IEEE Transactions on Magnetics, 50(12), pp. 1-9. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2333491
dc.relation.haspart [Publication 2]: Silwal Bishal, Rasilo Paavo, Perkkiö Lauri, Hannukainen Antti, Eirola Timo, and Arkkio Antero (2016), Numerical Analysis of the Power Balance of an Electrical Machine with Rotor Eccentricity, IEEETransactions on Magnetics, 52(3), pp. 1-4. DOI: 10.1109/TMAG.2015.2477847
dc.relation.haspart [Publication 3]: Silwal Bishal, Rasilo Paavo, Belahcen Anouar, and Arkkio Antero (2017), Influence of the Rotor Eccentricity on the Torque of a Cage Induction Machine, Archives of Electrical Engineering, 66(2), pp. 5-18. DOI: 10.1515/aee-2017-0029
dc.relation.haspart [Publication 4]: Silwal Bishal, Rasilo Paavo, and Arkkio Antero (2017), Prospects and Limitations of Power Balance Approach for Studying Forces and Electromagnetic Damping in Electrical Machines, IEEE Transactions on Magnetics, 7 p. (Submitted)
dc.relation.haspart [Publication 5]: Silwal Bishal, Rasilo Paavo, Haavisto Ari, Belahcen Anouar, and Arkkio Antero (2015), Measurement of Torque Harmonics of a Cage Induction Machine under Rotor Eccentricity, In Proceedings of the 18th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Pattaya, pp. 98-102. DOI: 10.1109/ICEMS.2015.7385007
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Power Balance in the Finite Element Analysis of Electrical Machines en
dc.title Tehotasapaino sähkökoneiden elementtimenetelmäanalyysissä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Sähkötekniikan ja automaation laitos fi
dc.contributor.department Department of Electrical Engineering and Automation en
dc.subject.keyword eccentricity en
dc.subject.keyword electromagnetic torque en
dc.subject.keyword finite element method en
dc.subject.keyword forces en
dc.subject.keyword harmonics en
dc.subject.keyword induction machine en
dc.subject.keyword mesh en
dc.subject.keyword power balance en
dc.subject.keyword rotor dynamics en
dc.subject.keyword elementtimenetelmä fi
dc.subject.keyword epäkeskisyys fi
dc.subject.keyword epätahtikone fi
dc.subject.keyword roottoridynamiikka fi
dc.subject.keyword sähkömagneettinen vääntömomentti fi
dc.subject.keyword tehotasapaino fi
dc.subject.keyword verkko fi
dc.subject.keyword voimat fi
dc.subject.keyword yliaallot fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7432-0
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Arkkio, Antero, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.opn Dorrell, David, Prof., University of KwaZulu-Natal, Durban, South Africa
dc.contributor.lab Research Group of Electromechanics en
dc.rev Sadowski, Nelson, Prof., Universidade federal de Santa Catarina, Brazil
dc.rev Popescu, Mircea, Dr., Motor Design Ltd, Great-Britain
dc.date.defence 2017-06-16


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