Torsional vibrations in electric powertrains
| dc.contributor | Aalto-yliopisto | fi |
| dc.contributor | Aalto University | en |
| dc.contributor.advisor | Holopainen, Timo | |
| dc.contributor.author | Laine, Sampo | |
| dc.contributor.school | Insinööritieteiden korkeakoulu | fi |
| dc.contributor.supervisor | Viitala, Raine | |
| dc.date.accessioned | 2021-09-05T17:05:47Z | |
| dc.date.available | 2021-09-05T17:05:47Z | |
| dc.date.issued | 2021-08-23 | |
| dc.description.abstract | The vast majority of the electricity in the world is produced by powertrains with electric generators, and a large proportion of the produced electricity is consumed by powertrains driven by an electric motor. Even the smallest performance increases in the design processes and operation of these machines can thus lead to massive improvements in the overall efficiency of the use of electrical energy. Simulation and design phase analysis of electric powertrains requires consideration of the mechanical and electromagnetic effects in the powertrains. In the present study, a holistic analysis method is presented for torsional vibration analysis of electric powertrains. The purpose of the torsional vibration analysis is to prevent problems related to excess vibrations in the machine system. Introducing an electric machine on a powertrain adds electromagnetic stiffness and damping to the system. Furthermore, electric motors may act as a source of torsional excitation. As is often done in practical analysis, consideration of the electric motor only as an ideal torque source may render these influences unnoticed. The modelling methods proposed in this study rely on the torsional shaft-line finite element method, and equivalent circuit models of the electric machines. Parameters of the mechanical models can typically be determined from the dimensions of the powertrain. The electrical properties may not be measurable from the physical system, however, model identification methods can be applied. The present study includes an implementation of the modelling tools for torsional vibration analysis of electric powertrains, published as an open-source library. Furthermore, a programming interface is presented for sharing the electric machine models in a way that preserves the high accuracy of the model, without compromising intellectual property related to the design of the machine. The theoretical influence of the electromagnetic effects was studied with simplified electromechanical models. The present study is limited to induction motors, which are a commonly used motor type in industrial applications. The results show that in certain situations, the electromagnetic effects may considerably affect the lowest natural frequencies of the system. According to the results, consideration of the electromagnetic effects is especially important in powertrains with small stiffness, connecting an electric machine with small inertia to a relatively large inertia load. Verification measurements were conducted on a laboratory powertrain to inspect the modelling capacity of the implemented methods. In this case, the influence of the analysis implied that the electromagnetic effects were negligible. Comparison of the results of the modelling and the results of the measurements suggests that the critical speeds of the system can be closely estimated. | en |
| dc.description.abstract | Suurin osa maailman sähköstä tuotetaan sähkögeneraattorin sisältävillä voimansiirtolinjoilla ja suuri osa tuotetusta sähköstä kulutetaan sähkömoottorilla toimivilla koneilla. Näiden järjestelmien suunnitteluprosessien ja käytön pienimmätkin suorituskyvyn parannukset voivat johtaa huomattaviin parannuksiin sähköenergian käytön koknaistehokkuudessa. Sähköisten voimansiirtojen simulointi ja suunnitteluvaiheen analyysi edellyttävät voimansiirtojen mekaanisten ja sähkömagneettisten vaikutusten mallinnusta. Tässä tutkimuksessa esitellään kokonaisvaltainen mallinnusmenetelmä sähköisten voimansiirtojen vääntövärähtelyanalyysiä varten. Vääntövärähtelyanalyysin tarkoituksena on estää voimansiirtolinjassa esiintyviin värähtelyihin liittyviä ongelmia. Sähkökoneen kytkeminen voimansiirtolinjaan aiheuttaa järjestelmään magneettista jäykkyyttä ja vaimennusta. Lisäksi sähkökoneet voivat toimia värähtelyherätteiden lähteenä. Käytännön analyysissä on tavallista, että sähkömoottori mallinnetaan ihanteellisena momenttilähteenä, jolloin sähkömagneettiset vaikutukset jäävät huomioimatta. Tässä tutkimuksessa esitetyt mallinnusmenetelmät perustuvat elementtimenetelmään ja sähkökoneiden sijaiskytkentämalleihin. Mekaanisten mallien parametrit voidaan tyypillisesti määrittää mekaanisista mitoista, kun taas sähköisiä ominaisuuksia ei aina voida mitata fyysisestä järjestelmästä, mutta parametrien identifiointimenetelmiä voidaan kuitenkin soveltaa. Tässä tutkimuksessa kehitetty ohjelmisto sähkökäyttöisten voimansiirtolinjojen vääntövärähtelyanalyysiin on julkaistu avoimen lähdekoodin kirjastona. Lisäksi työssä esitetään ohjelmointirajapinta sähkökoneiden mallien jakamiseksi tavalla, joka säilyttää mallin korkean tarkkuuden vaarantamatta koneen suunnitteluun liittyviä immateriaalioikeuksia. Sähkömagneettisten ominaisuuksien teoreettista vaikutusta tutkittiin yksinkertaistetuilla sähkömekaanisilla malleilla. Tämä tutkimus rajoittuu induktiomoottoreihin, jotka ovat teollisuudessa yleisesti käytetty moottorityyppi. Tulokset osoittavat, että tietyissä tilanteissa sähkömagneettisilla vaikutuksilla voi olla huomattava vaikutus voimansiirtolinjan alimpiin ominaistaajuuksiin. Tulosten mukaan sähkömagneettisten vaikutusten huomiointi on erityisen tärkeää voimansiirtolinjoissa, joiden jäykkyys on pieni ja jotka yhdistävät matalan inertian omaavan sähkökoneen suhteessa suurempaan kuorman inertiaan. Tutkimuksen kokeellisessa osiossa laboratorion testilaitteella tehtyjä mittauksia verrattiin mallinnustuloksiin. Tutkitussa tapauksessa mallinnus osoitti, että sähkömagneettisten ilmiöiden vaikutus oli mitätön. Mallinnustulosten vertailu mittauksiin osoittaa, että ominaistaajuudet onnistuttiin määrittämään tarkasti. | fi |
| dc.format.extent | 66 | |
| dc.format.mimetype | application/pdf | en |
| dc.identifier.uri | https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/109780 | |
| dc.identifier.urn | URN:NBN:fi:aalto-202109059009 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.programme | Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC) | fi |
| dc.programme.major | fi | |
| dc.programme.mcode | fi | |
| dc.subject.keyword | torsional vibration | en |
| dc.subject.keyword | rotordynamics | en |
| dc.subject.keyword | induction motor | en |
| dc.subject.keyword | dynamic motor model | en |
| dc.subject.keyword | state-space model | en |
| dc.title | Torsional vibrations in electric powertrains | en |
| dc.title | Vääntövärähtelyt sähkökäyttöisissä voimansiirtolinjoissa | fi |
| dc.type | G2 Pro gradu, diplomityö | fi |
| dc.type.ontasot | Master's thesis | en |
| dc.type.ontasot | Diplomityö | fi |
| local.aalto.electroniconly | yes | |
| local.aalto.openaccess | yes |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- master_Laine_Sampo_2021.pdf
- Size:
- 20.27 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
