Circulating and Eddy-Current Losses in Random-Wound Electrical Machines

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-09-15
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
91 + app. 45
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 140/2017
Abstract
This thesis focuses on resistive winding losses in rotating electrical machines, with special attention on circulating currents in random-wound machines. Five methods are developed for computationally efficient analysis, including one analytical circuit model and four 2D finite element models. The circuit model, as well as two of the numerical models, focus on circulating currents, while the remaining two numerical models also include all eddy current effects. Furthermore, a stochastic approach is proposed to model the uncertainty included in random-wound windings. Finally, a large set of measurement data concerning high-speed induction machines is analysed and used to validate the stochastic approach.  According to simulations, all of the developed models yield reasonably accurate results at a significantly reduced computational cost. The two numerical methods that also consider eddy current effects are found to be particularly precise. The stochastic approach is also found to be able to predict the variation in measured circulating current losses.  The measured machines are observed to exhibit significant circulating current losses. On average, they increase the winding losses by 60 %. Furthermore, the losses are found to vary significantly even between nominally identical machines. Finally, according to simulations, also medium-speed machines with 50 Hz rated supply are found susceptible to high circulating current losses, especially if supplied by an inverter.

Tämä työ keskittyy resistiivisiin häviöihin sähkökoneiden käämityksissä. Erityistä huomiota kiinnitetään kiertovirtoihin pyörökuparikäämityksissä. Työssä kehitetään viisi laskennallisesti tehokasta metodia, joista yksi on analyyttinen piirimalli ja loput neljä ovat 2-ulotteisia numeerisia elementtimenetelmämalleja. Piirimalli ja kaksi numeerista mallia keskittyvät kiertovirtoihin, kun taas loput mallit huomioivat myös pyörrevirrat. Työssä kehitetään myös tilastollinen malli pyörökuparikäämityksiin liittyvän epävarmuuden mallintamiseen. Lisäksi työssä analysoidaan suurta joukkoa suurnopeusepätahtikoneiden mittausdataa, jota käytetään myös tilastollisen mallin validointiin.  Simulaatioiden mukaan kaikki laskentamallit tuottavat hyväksyttävän tarkkoja tuloksia selvästi tavanomaista numeerista analyysiä nopeammin. Pyörrevirrat huomioivat numeeriset mallit ovat erityisen tarkkoja. Mittausten perusteella tilastollinen malli selittää kiertovirtahäviöissä havaitun vaihtelun hyvin.  Mitatuissa koneissa on huomattavia kiertovirtahäviöitä. Keskimäärin ne lisäävät käämityshäviöitä 60 prosenttia, mutta vaihtelu saman tuotesarjan koneiden välillä on suurta. Simulaatioiden mukaan myös 50 Hz:n nimellistaajuudelle suunnitellut koneet voivat olla alttiita kiertovirtahäviöille, etenkin jos niitä syötetään suuntaajalla.
Description
Supervising professor
Arkkio, Antero, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Belahcen, Anouar, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
Circulating currents, eddy currents, finite element analysis, Kiertovirrat, pyörrevirrat, elementtimenetelmä
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Antti Lehikoinen and Antero Arkkio. Efficient Finite-Element Computation of Circulating Currents in Thin Parallel Strands. IEEE Transactions on Magnetics, Volume 52, Issue 3, pp. 1-4, March 2016.
    DOI: 10.1109/TMAG.2015.2481934 View at publisher
  • [Publication 2]: Antti Lehikoinen, Nicola Chiodetto, Erkki Lantto, Antero Arkkio and Anouar Belahcen. Monte Carlo Analysis of Circulating Currents in Random-Wound Electrical Machines. IEEE Transactions on Magnetics, Volume 52, Issue 8, pp. 1-12, August 2016. Post print / Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201604191775.
    DOI: 10.1109/TMAG.2016.2535332 View at publisher
  • [Publication 3]: Antti Lehikoinen, Antero Arkkio and Anouar Belahcen. Reduced Basis Finite Element Modelling of Electrical Machines with Multi-Conductor Windings. Accepted for publication in IEEE Transactions on Industry Applications, pp. 1-8, April 2017.
  • [Publication 4]: Antti Lehikoinen, Jouni Ikäheimo, Antero Arkkio and Anouar Belahcen. Domain Decomposition Approach for Efficient Time-Domain Finite Element Computation of Winding Losses in Electrical Machines. IEEE Transactions on Magnetics, Volume 53, Issue 5, pp. 1-10, March 2017.
    DOI: 10.1109/TMAG.2017.2681045 View at publisher
Citation