VPT, Inc and the U.S. Dept. of Energy have sponsored the development of a high-speed 12 kW AC induction motor to drive automotive fuel cell air compressors. As one part of the development, thermal considerations and the cooling system are detailed in this paper. The motor and inverter are packaged in one unit with the heat sink in the middle. The heat sink is a cold chamber designed to absorb the maximum heat losses from the unit. Empirical data was used to validate the model of the cold chamber and finalize the design. A lumped capacitance finite-difference model was developed to simulate the entire motor inverter assembly. The individual components of the thermal model were tested and the data was used to calibrate and validate the thermal model. Using the model, the thermal overload conditions were investigated. The limiting factors are the stator copper winding temperatures, which can damage the plastic slot liners. The double current test was simulated and operating temperatures of the system remained within thermal limits for 4 minutes. As a conclusion from the model, the thermal resistances from the stator to the case or the heat sink need to be reduced. Integrating the motor casing and end plate to the heat sink, rather than building it in sections, would reduce the thermal contact resistances. Also the copper winding ends in the stator could be coated in material that would bond to the case, thus increasing heat transfer from the windings to the case. / Master of Science

The validity of transfer matrix method (TMM) employed in a nonlinear gear cam system is studied in this thesis. The nonlinear dynamic responses of each part in the nonlinear system are estimated by applying the 4th-order Runge-Kutta method. A high speed gear cam drive automatic die cutter was analyzed in this study. A 25 horsepower AC induction motor is designed to drive the system. To complete the cutting work, a sequential process of the harmonic motion and the intermittent motion are generated by the elbow mechanism and the gear cam mechanism, respectively. A simplified branched multi-rotor system is modeled to approximate the motion of the system. The variation of the dynamic parameters of the system in a loading cycle is estimated under a branched torsional system. The Holzer¡¦s transfer matrix method is used to study the variation of the system parameters during the intermittent movement. Moreover, the effect of time-varied speed introduced from the torque variation of the induction motor and gear cam mechanism on the nonlinear dynamic response of the system has also been investigated. To explore the dynamic effect of different cam designs, three different cam motion curves and seven operating rates have been analyzed in this work. The residual vibration of the last sprocket has also been discussed. Numerical results indicate that the proposed model is available to simulate the dynamic responses of a nonlinear gear cam drive system.

O motor de indução é, talvez, o mais robusto e, certamente, um dos motores mais comumente usados. Graças à simplicidade de sua construção, do seu baixo custo, confiabilidade e rendimento relativamente alto com carga nominal é provável que ele permaneça sendo a principal fonte de transformação de energia elétrica em energia mecânica nas aplicações industriais e comerciais por um futuro previsível. O estudo de economia de energia pela redução de perdas é o objetivo do presente estudo. Os motores de indução operam regularmente com fluxo quase constante no entreferro e, portanto, com perdas magnéticas quase constantes. A utilização de um circuito gradador de tensão em série com a alimentação do motor para reduzir o fluxo no entreferro pela redução da tensão aplicada quando a carga não requer fluxo total é o objeto de análise neste estudo. Com a redução da tensão, para manter o conjugado de operação, a velocidade de rotação diminui, ou seja, há um aumento no escorregamento até um valor ótimo para reduzir as perdas totais. Então, esperaria-se que com a redução da tensão aplicada, as perdas magnéticas decresceriam e a eficiência total cresceria. Via de regra, no motor de indução, dada a característica mergulhante de sua curva Conjugado x Velocidade na região em torno da velocidade nominal, o conjugado varia muito mais que a velocidade. Para operação eficiente, a sua tensão aplicada deve ser função da carga que traciona. É objetivo desse trabalho estudar um dispositivo que, colocado em série com a fonte de alimentação de um motor de indução de CA, promove a redução de potência fornecida ao motor, quando a carga aplicada ao motor é menor que a carga nominal. Uma análise da redução da tensão senoidal aplicada através de um auto-transformador de tensão variável é comparada com a redução da tensão através de um circuito gradador baseado em tiristores. A melhor tensão a ser obtida é a que reduz as perdas magnéticas ao mínimo, para cargas que não requerem o fluxo total no entreferro como quando da tensão nominal aplicada. As limitações do processo são estudadas e apresentadas. / The induction motor is perhaps the most rugged, and certainly one of the most commonly used motors. With simply construction, low cost, reliability and efficiency relatively high with rated-load it seems to be a good way to convert electric energy into mechanical energy for industrial and domestic applications for a predictable future. An economy in energy consumption by loss reduction is the goal of this study. The induction motors as normal operate with constant flux in the air-gap and, hence with almost constant losses in the core. The use of a voltage gradador circuit in series with the voltage source applied to the motor for flux reduction in the air-gap by reduction of the voltage when the load do not need full-flux is this study proposal. Hence, with applied voltage reduction, to keep the operational torque, the motor rotation decreases or the slip increases to an optimum value to reduce the total core losses and increase the efficiency. As a rule, the induction motor, by the dip characteristic of the torque x speed curve in the region near the nominal speed, the torque changes much more then the speed. For efficient operation, the applied voltage should be a function of the load. It is the goal or aim of this work to study a device which, when placed in series with the power input of an alternating current induction motor, will produce a reduction in power normally provided to the motor when operated in either a condition where motor loading is less than a rated load. An analysis of voltage ideal sine wave supply reduction applied by an autotransformer with variable voltage is compared with the voltage reduction using a gradador circuit based on thyristors. The optimal voltage operation is the one that decrease the iron losses to minimum, for partial-load that do not need full-flux in the air-gap as when the full voltage is applied. Limitations in the process are investigated and will be showed.

O motor de indução é, talvez, o mais robusto e, certamente, um dos motores mais comumente usados. Graças à simplicidade de sua construção, do seu baixo custo, confiabilidade e rendimento relativamente alto com carga nominal é provável que ele permaneça sendo a principal fonte de transformação de energia elétrica em energia mecânica nas aplicações industriais e comerciais por um futuro previsível. O estudo de economia de energia pela redução de perdas é o objetivo do presente estudo. Os motores de indução operam regularmente com fluxo quase constante no entreferro e, portanto, com perdas magnéticas quase constantes. A utilização de um circuito gradador de tensão em série com a alimentação do motor para reduzir o fluxo no entreferro pela redução da tensão aplicada quando a carga não requer fluxo total é o objeto de análise neste estudo. Com a redução da tensão, para manter o conjugado de operação, a velocidade de rotação diminui, ou seja, há um aumento no escorregamento até um valor ótimo para reduzir as perdas totais. Então, esperaria-se que com a redução da tensão aplicada, as perdas magnéticas decresceriam e a eficiência total cresceria. Via de regra, no motor de indução, dada a característica mergulhante de sua curva Conjugado x Velocidade na região em torno da velocidade nominal, o conjugado varia muito mais que a velocidade. Para operação eficiente, a sua tensão aplicada deve ser função da carga que traciona. É objetivo desse trabalho estudar um dispositivo que, colocado em série com a fonte de alimentação de um motor de indução de CA, promove a redução de potência fornecida ao motor, quando a carga aplicada ao motor é menor que a carga nominal. Uma análise da redução da tensão senoidal aplicada através de um auto-transformador de tensão variável é comparada com a redução da tensão através de um circuito gradador baseado em tiristores. A melhor tensão a ser obtida é a que reduz as perdas magnéticas ao mínimo, para cargas que não requerem o fluxo total no entreferro como quando da tensão nominal aplicada. As limitações do processo são estudadas e apresentadas. / The induction motor is perhaps the most rugged, and certainly one of the most commonly used motors. With simply construction, low cost, reliability and efficiency relatively high with rated-load it seems to be a good way to convert electric energy into mechanical energy for industrial and domestic applications for a predictable future. An economy in energy consumption by loss reduction is the goal of this study. The induction motors as normal operate with constant flux in the air-gap and, hence with almost constant losses in the core. The use of a voltage gradador circuit in series with the voltage source applied to the motor for flux reduction in the air-gap by reduction of the voltage when the load do not need full-flux is this study proposal. Hence, with applied voltage reduction, to keep the operational torque, the motor rotation decreases or the slip increases to an optimum value to reduce the total core losses and increase the efficiency. As a rule, the induction motor, by the dip characteristic of the torque x speed curve in the region near the nominal speed, the torque changes much more then the speed. For efficient operation, the applied voltage should be a function of the load. It is the goal or aim of this work to study a device which, when placed in series with the power input of an alternating current induction motor, will produce a reduction in power normally provided to the motor when operated in either a condition where motor loading is less than a rated load. An analysis of voltage ideal sine wave supply reduction applied by an autotransformer with variable voltage is compared with the voltage reduction using a gradador circuit based on thyristors. The optimal voltage operation is the one that decrease the iron losses to minimum, for partial-load that do not need full-flux in the air-gap as when the full voltage is applied. Limitations in the process are investigated and will be showed.

O motor de indução é, talvez, o mais robusto e, certamente, um dos motores mais comumente usados. Graças à simplicidade de sua construção, do seu baixo custo, confiabilidade e rendimento relativamente alto com carga nominal é provável que ele permaneça sendo a principal fonte de transformação de energia elétrica em energia mecânica nas aplicações industriais e comerciais por um futuro previsível. O estudo de economia de energia pela redução de perdas é o objetivo do presente estudo. Os motores de indução operam regularmente com fluxo quase constante no entreferro e, portanto, com perdas magnéticas quase constantes. A utilização de um circuito gradador de tensão em série com a alimentação do motor para reduzir o fluxo no entreferro pela redução da tensão aplicada quando a carga não requer fluxo total é o objeto de análise neste estudo. Com a redução da tensão, para manter o conjugado de operação, a velocidade de rotação diminui, ou seja, há um aumento no escorregamento até um valor ótimo para reduzir as perdas totais. Então, esperaria-se que com a redução da tensão aplicada, as perdas magnéticas decresceriam e a eficiência total cresceria. Via de regra, no motor de indução, dada a característica mergulhante de sua curva Conjugado x Velocidade na região em torno da velocidade nominal, o conjugado varia muito mais que a velocidade. Para operação eficiente, a sua tensão aplicada deve ser função da carga que traciona. É objetivo desse trabalho estudar um dispositivo que, colocado em série com a fonte de alimentação de um motor de indução de CA, promove a redução de potência fornecida ao motor, quando a carga aplicada ao motor é menor que a carga nominal. Uma análise da redução da tensão senoidal aplicada através de um auto-transformador de tensão variável é comparada com a redução da tensão através de um circuito gradador baseado em tiristores. A melhor tensão a ser obtida é a que reduz as perdas magnéticas ao mínimo, para cargas que não requerem o fluxo total no entreferro como quando da tensão nominal aplicada. As limitações do processo são estudadas e apresentadas. / The induction motor is perhaps the most rugged, and certainly one of the most commonly used motors. With simply construction, low cost, reliability and efficiency relatively high with rated-load it seems to be a good way to convert electric energy into mechanical energy for industrial and domestic applications for a predictable future. An economy in energy consumption by loss reduction is the goal of this study. The induction motors as normal operate with constant flux in the air-gap and, hence with almost constant losses in the core. The use of a voltage gradador circuit in series with the voltage source applied to the motor for flux reduction in the air-gap by reduction of the voltage when the load do not need full-flux is this study proposal. Hence, with applied voltage reduction, to keep the operational torque, the motor rotation decreases or the slip increases to an optimum value to reduce the total core losses and increase the efficiency. As a rule, the induction motor, by the dip characteristic of the torque x speed curve in the region near the nominal speed, the torque changes much more then the speed. For efficient operation, the applied voltage should be a function of the load. It is the goal or aim of this work to study a device which, when placed in series with the power input of an alternating current induction motor, will produce a reduction in power normally provided to the motor when operated in either a condition where motor loading is less than a rated load. An analysis of voltage ideal sine wave supply reduction applied by an autotransformer with variable voltage is compared with the voltage reduction using a gradador circuit based on thyristors. The optimal voltage operation is the one that decrease the iron losses to minimum, for partial-load that do not need full-flux in the air-gap as when the full voltage is applied. Limitations in the process are investigated and will be showed.