Power Balance in the Finite Element Analysis of Electrical Machines

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-06-16
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
90 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 93/2017
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.

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.
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
Rasilo, Paavo, Assit. Prof., Tampere University of Technology, Finland
Keywords
eccentricity, electromagnetic torque, finite element method, forces, harmonics, induction machine, mesh, power balance, rotor dynamics, elementtimenetelmä, epäkeskisyys, epätahtikone, roottoridynamiikka, sähkömagneettinen vääntömomentti, tehotasapaino, verkko, voimat, yliaallot
Other note
Parts
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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)
  • [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 View at publisher
Citation