Effects of slotting and unipolar flux on magnetic pull in a two-pole induction motor with an extra four-pole stator winding

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorSinervo, Anssi
dc.contributor.departmentSähkötekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Electrical Engineeringen
dc.contributor.labElectromechanicsen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorArkkio, Antero, Prof., Aalto University, Finland
dc.date.accessioned2013-05-20T09:00:19Z
dc.date.available2013-05-20T09:00:19Z
dc.date.defence2013-06-14
dc.date.issued2013
dc.description.abstractThis thesis is about the radial magnetic forces between the rotor and stator in twopole induction machines. The magnetic forces arise from rotor eccentricity. The asymmetric air-gap makes the flux density on one side of the rotor stronger than on the opposite side. This produces magnetic pull. The magnetic flux density distribution in the air-gap can be expressed with spatial harmonics, i.e. flux densities with different pole-pair numbers. In two-pole machines, the main part of the magnetic force is produced by the interaction of two- and fourpole flux unless the four-pole flux is damped by parallel paths in the stator winding or an extra four-pole stator winding. The rest of the force comes from the interaction of two-pole and unipolar flux and from the higher harmonics of the air-gap flux of which the slot harmonics are a major part. The force caused by the higher harmonics and the unipolar flux is studied in the case where a four-pole stator winding is used to reduce the four-pole flux. The higher harmonics are found to produce, in addition to the traditional unbalanced magnetic pull, a force similar to the effect of the unipolar flux and the two can be distinguished only by measuring the unipolar flux. In measurements at various operation points, the higher harmonics are found to produce much more force than the unipolar flux and two-pole flux but the unipolar flux is still significant. The four-pole winding also is used to actively control the four-pole flux and the magnetic forces. Designing the controller requires a low order model of the system. Such a model is derived and the effect of the slot harmonics and the unipolar flux are included in the model. Different measurements techniques and methods are presented to identify and validate the control model. The operation point dependence of the system dynamics is studied via measurements. All results are obtained from a 30 kW test motor. The rotor of the test machine has a long flexible shaft on external bearings. The shaft is bowed causing mechanical forces. The vibration caused by these forces is suppressed with the four-pole extra winding. The machine also has search coils to measure the unipolar, two-pole, and four-pole fluxes and a unipolar actuator that can be used to control the unipolar flux.en
dc.description.abstractTämä väitöskirja käsittelee kaksinapaisten epätahtikoneiden staattorin ja roottorin välisiä magneettisia poikittaisvoimia. Voimat syntyvät roottorin epäkeskisyydestä. Epäsymmetrinen ilmaväli saa magneettivuon roottorin yhdellä laidalla tiheämmäksi kuin vastakkaisella puolella, mikä aiheuttaa magneettisen vetovoiman. Magneettivuontiheyden jakauma ilmavälissä voidaan esittää paikkaharmoonisilla eli eri napaparisilla vuontiheyksillä. Kaksinapaisissa koneissa pääosa magneettisesta voimasta tulee kaksi- ja nelinapaisen kentän vuorovaikutuksesta paitsi, jos staattorikäämityksessä on rinnakkaisia haaroja tai jos staattorissa on ylimääräinen nelinapainen käämitys, joka vaimentaa nelinapaista vuota. Loppuosa voimasta johtuu kaksinapaisen ja unipolaarivuokentän vuorovaikutuksesta sekä yliharmoonisista, joista uraharmooniset muodostavat suurimman osan. Yliharmoonisista ja unipolaarivuosta aiheutuvaa voimaa tutkitaan tapauksessa, jossa nelinapaista vuota on vaimennettu lisäkäämillä. Työssä havaitaan, että osa yliharmoonisista johtuvasta voimasta käyttäytyy täysin samalla tavalla kuin unipolaarivuosta aiheutuva voima. Nämä voidaan erottaa toisistaan vain mittaamalla unipolaarivuo. Mittaukset useissa eri toimipisteissä osoittavat, että yliharmooniset tuottavat selvästi enemmän voimaa kuin unipolaarivuo ja kaksinapainen vuo yhdessä. Unipolaarivuo ei silti ole merkityksetön. Nelinapaista käämitystä käytetään myös nelinapaisen vuon ja magneettisen voiman aktiivisäätöön. Aktiivisäädön suunnittelu vaatii riittävän yksinkertaisen mallin järjestelmästä. Sopiva malli johdetaan ja mallissa huomioidaan yliharmoonisten ja unipolaarivuon vaikutus. Kirjassa esitetään menetelmiä ja tekniikoita löytää mallin parametrit mittauksista sekä varmentaa mallin pätevyys. Järjestelmän dynamiikan operaatiopisteriippuvuutta tutkitaan mittauksin. Kaikki kirjan tulokset perustuvat mittauksiin 30 kW testimoottorilla. Koneen roottorissa on pitkä akseli, joka on tuettu ulkoisille laakereille. Akseli on käyrä, mistä aiheutuu mekaanisia voimia. Voimista aiheutuvaa värähtelyä vaimennetaan nelinapaisella lisäkäämillä. Koneessa on myös mittakäämit kaksi- ja nelinapaiselle vuolle sekä unipolaarivuolle. Lisäksi koneessa on aktuaattorikäämitys, jolla voidaan tuottaa unipolaarivuota.fi
dc.format.extent99 + app. 101
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-952-60-5155-0 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-5154-3 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10180
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-5155-0
dc.language.isoenen
dc.opnChiba, Akira, Prof., Tokyo Institute of Technology, Japan
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Anssi Sinervo, Antti Laiho and Antero Arkkio. Low-frequency oscillation in rotor vibration of a two-pole induction machine with extra fourpole stator winding. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 47, No. 9, pp 2292-2302, September 2011.
dc.relation.haspart[Publication 2]: Anssi Sinervo and Antero Arkkio. Including slot harmonics to mechanical model of two-pole induction machine with a force actuator. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 32, pp 282-291, October 2012.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Anssi Sinervo, Tommi Jokela and Antero Arkkio. Controlling rotor vibrations of a two-pole induction machine with unipolar actuator. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 48, No. 7, pp 2205-2210, July 2012.
dc.relation.haspart[Publication 4]: Anssi Sinervo, Antero Arkkio. Eccentricity related forces in two-pole induction motor with four-pole stator damper winding analyzed using measured rotor orbits. Accepted for publication in IEEE Transactions on Magnetics, In press .
dc.relation.haspart[Publication 5]: Anssi Sinervo and Antero Arkkio. Modeling two-pole cage induction machine equipped with embedded force actuator. In Tenth International Conference on Vibrations in Rotating Machinery (VIRM10), Woodhead Publishing, London, September 2012.
dc.relation.haspart[Publication 6]: Anssi Sinervo, Tommi Jokela and Antero Arkkio. Unipolar flux in bearingless two-pole machine. In XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM), Marseille, France, September 2012.
dc.relation.haspart[Publication 7]: Anssi Sinervo and Antero Arkkio. Controlling rotor vibrations of twopole induction machine under loaded operation. In 19th International Congress on Sound and Vibration (ICSV19), Vilnius, Lithuania, July 2012.
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries77/2013
dc.revDorrell, David, Prof., University of Technology, Sydney, Australia
dc.revWerner, Ulrich, Dr., Siemens AG, Germany
dc.subject.keywordactive controlen
dc.subject.keywordbearingless machineen
dc.subject.keywordhigher harmonicsen
dc.subject.keywordhomopolar fluxen
dc.subject.keywordinduction machinesen
dc.subject.keywordrotor vibrationen
dc.subject.keywordunbalanced magnetic pullen
dc.subject.keywordunipolar fluxen
dc.subject.keywordaktiivisäätöfi
dc.subject.keywordhomopolaarivuofi
dc.subject.keywordlaakeriton konefi
dc.subject.keywordoikosulkukonefi
dc.subject.keywordroottori värähtelyfi
dc.subject.keywordsähkömagneettinen voimafi
dc.subject.keyworduraharmoonisetfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleEffects of slotting and unipolar flux on magnetic pull in a two-pole induction motor with an extra four-pole stator windingen
dc.titleUrituksen ja unipolaarivuon vaikutus magneettiseen poikittaisvoimaan nelinapaisella staattorilisäkäämillä varustetussa kaksinapaisessa oikosulkumoottorissafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64786

Files

Original bundle

Now showing 1 - 3 of 3
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526051550.pdf
Size:
4.45 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
errata_of_articles_P1_P2_P5.pdf
Size:
26.29 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication5.pdf
Size:
462.17 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description: