This dissertation thesis deals with the computational modelling of the dynamic response of the rotating electrical machine structure on the application of the magnetic forces. Apart from the dynamic response of the ideal symmetrical machine, the influence of the air gap eccentricity on the dynamics response is studied in this work. A basic type of the air gap eccentricity, which is caused by eccentric mounting of the rotor pack on the shaft of the rotor, is considered. The calculations the dependence of the magnetic forces on the time and a misalignment of the rotor pack are performed as first. The computational model of the magnetic field of the rotating electrical machine, which is based on solution of the electromagnetic coupled field analysis by finite element method, is used for this purpose. An analysis of the influence of the unbalanced magnetic pull and the stiffness of some parts of the machine on the modal properties of the machine is performed in the second part of this thesis. A third part of this thesis is focused on the calculation of the dynamic response of the machine during the steady state operation of the machine and the influence of the rotor pack misalignment on the dynamic response is studied. The obtained results showed that the tangential components of the magnetic forces, which act on the stator pack, excite significant torsional vibration of the stator. Besides the vibration of the stator of the machine, the influence of the rotor pack misalignment on the sound power of the machine, vibration of the rotor, loads of rotor bearings and air gap eccentricity is studied in this thesis.

This thesis is focused on the security and improving of electrical rotating machines service life, especially asynchronous motors. Work includes a description of the most common disorders, short description of the asynchronous motor cage casting, analysis of provided decommissioned motors with photo documentation. The last part of this thesis is focused to vibrodiagnostic of asynchronous motor with simulated imbalance and motor emplacement by laser.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude du pré-dimensionnement d’un actionneur électromécanique à entrainement direct dans une chaine de commande de vol électrique d’un hélicoptère.Le dimensionnement de cet actionneur répond à un brevet déposé par Airbus Helicopters et les éléments composant l’actionneur devront remplir les critères de sécurité des équipements embarqués des fonctions critiques. Dans un premier temps, une méthode de pré-dimensionnement d’actionneur électromécanique et plus particulièrement de machine électrique est décrite à l’aide d’un modèle analytique. Ce modèle est couplé à un algorithme d’optimisation afin de minimiser la masse tout en conservant les performances. Un prototype a fait l’objet d’une fabrication à l’échelle 1. Dans un second temps, une architecture et une méthode de calcul de l’asservissement sont définies afin d’obtenir les performances attendues par un cahier des charges en termes de précision, vitesse et stabilité. Dans le but d’améliorer le processus de dimensionnement et de prévoir le comportement dynamique de l’asservissement, des modèles multi-physiques sont développés et utilisés. Enfin, le prototype est mis en place sur un banc d’essai. Il a permis de valider le modèle de pré-dimensionnement et plus généralement de caractériser les machines électriques. Enfin, une campagne d’essai avec des cas de panne est réalisée pour mesurer et analyser les effets des pannes sur cet actionneur. / The thesis aim is the pre-design of a direct drive electromechanical actuator for Fly-By-Wire flight control of rotorcraft.The pre-design of this actuator answer to a Airbus Helicopters patent and all component must be compliant with the safety criteria of embedded system for critical function. Over a first phase, a method of electromechanical actuator’s pre-design and particularly of electrical machine is described with an analytical model. This model is linked with an optimization algorithm in order to minimize the actuator’s mass with the whole performances. A full scale prototype has been built.Over a second phase, architecture and methods for designing control are described in order to obtain the specification performances in term of precision, speed and stability. To improve the design process and the dynamic prediction of the control, multiphysics models have been developed and used.At last, the prototype is integrated on a test bench. This one allow to validate the electrical machines pre-design and more generally, to characterize the built electrical motors. A series of failure case’s tests takes place in order to analyze and measure all the actuator effect of the failure case.

Für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und großen Drehmomentanforderungen wie z. B. Windenergiegeneratoren, Aufzugs-, Lüfter- und Radnabenmotoren werden häufig elektrische Direktantriebe in Außenläuferbauweise eingesetzt. Im Vergleich zur Innenläuferausführung ist die Abführung der Statorverluste aufgrund der schlechteren Konvektionsbedingungen im Luftspalt und an den Wicklungsköpfen sowie des geringen Wärmedurchganges in den Lagern erschwert. Die Anbindung des Stators an eine große Konvektionsoberfläche fehlt. Im Hinblick auf die maximal zulässige Wicklungstemperatur ist eine Einschränkung der elektromagnetischen Ausnutzung notwendig und bei Luftkühlung liegen erreichbare Ausnutzungsziffern meist im Bereich C < 2 kVA·min/m^3. Eine Alternative bietet die Methode der Statorrohrinnenkühlung, wobei ca. 80 % der Statorverluste über ein im innenliegenden Bauraum des Stators integriertes Kühlsystem abgeführt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise sind durch die intensivierte Luftkühlung Ausnutzungsziffern C > 3 kVA·min/m^3 realisierbar. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Ableitung von Auslegungskriterien für Außenläufermaschinen mit einer intensivierten Statorrohrinnenkühlung, wobei als Anwendungsbeispiel ein Kleinwindenergiegenerator, der eine geöffnete Rotornabe besitzt und durch die natürliche Windströmung gekühlt wird, dient. Aus der hochpoligen Ausführung der permanentmagneterregten Synchronmaschine ergeben sich geringere magnetische Flüsse pro Pol und der innere Bauraum kann aufgrund der geringeren Rückenhöhe zur Kühlung genutzt werden. Für die Festlegung der Abmessungen des Aktiv- und des Kühlsystemvolumens der Maschine ist eine gekoppelte Erwärmungsberechnung erforderlich. Diesbezüglich wird die Erstellung eines elektromagnetisch-strömungsmechanisch-thermisch gekoppelten Berechnungsmodells, das auf analytischen Ersatznetzwerken basiert und durch die Daten numerischer Teilmodelle gestützt wird, vorgestellt. Dabei sind die Schwerpunkte die Berechnungen des Arbeitspunktes des magnetischen Kreises, der Belastungskennlinien des Generators im Inselbetrieb, der lokalen Verlustverteilung, des Kühlluftvolumenstromes im Arbeitspunkt des Kühlsystems und der stationären Erwärmung der Maschine. Die Berechnung der Kühlsystemerwärmung erfolgt mit einem Subwärmequellennetz, wodurch der lokale konvektive Wärmeübergang und die Wärmeleitung im Kühlkörper berücksichtigt werden. Weitere Schwerpunkte der thermischen Modellierung sind u. a. die Berechnung der Wärmeübergänge im Luftspalt und in den Wicklungskopfbereichen, die Bestimmung der spezifischen Ersatzwärmeleitfähigkeiten der orthotropen Wärmeleitgebiete der Wicklung und des Elektroblechpaketes sowie die Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten. Experimentelle Untersuchungen in Form von Maschinenprüfungen an einem Prototyp des Kleinwindenergiegenerators sowie Windkanalmessungen an einem Strömungsmodell dienen der Verifikation der Berechnungen. Ausgehend von den Ergebnissen durchgeführter Parameterstudien zur Magnetkreis- und Wicklungsausführung in Kombination mit der Kühlsystemauslegung werden Schlussfolgerungen für die Projektierung der Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung zusammengefasst.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis / Electrical direct drives with outer rotor construction are often used for applications with low rotational speed and high torque requirements such as wind energy generators, elevators, fans and wheel hub motors. Compared to the internal rotor construction, it is more difficult to dissipate the stator losses due to the unfavorable convection conditions in the air gap and at the end windings and the low heat transfer in the bearings. The stator lacks contact to a large convection surface. The maximum permissible winding temperature necessitates reducing electromagnetic utilization, with air cooling the achievable utilization numbers are usually in the range C < 2 kVA∙min/m^3. An alternative method is stator tube inner cooling, whereby approx. 80 % of the stator losses are dissipated via a cooling system integrated in the internal volume of the stator. Compared to the conventional machine design, utilization numbers C > 3 kVA∙min/m^3 are feasible for the intensified air-cooling. This thesis aims to derive design criteria for outer rotor machines with intensified stator tube inner cooling. A small wind energy generator with an open rotor hub, cooled by the natural wind flow, serves as an application example. The high-pole design of the permanent magnet synchronous machine results in lower magnetic fluxes per pole, and the internal volume can be utilized for cooling due to the thinner back-iron. A coupled heating calculation is required to determine the dimensions of the active volume and the cooling system volume. The realization of an electromagnetic-fluid-mechanical-thermal coupled calculation model is presented. The model is based on analytical equivalent networks and is supported by the data of numerical sub-models. The key aspects are the calculations of the operating point of the magnetic circuit, the load characteristics of the generator in isolated operation mode, the local loss distribution, the cooling air volume flow in the operating point of the cooling system and the stationary heating of the machine. The cooling system heating is calculated with a sub-heat source network, whereby the local convective heat transfer and the heat conduction in the heat sink are considered. Additional key aspects of thermal modelling include calculating heat transfer in the air gap and in the end winding regions, determining the specific equivalent thermal conductivities of the orthotropic heat conduction areas of the winding and the laminated core and considering insulating layers, joint gaps and glue gaps. Experimental investigations in the form of machine testing on a prototype of the small wind turbine generator and wind tunnel measurements on a flow model verify the calculations. Based on the results of parameter studies on the magnetic circuit and winding design in combination with the cooling system configuration, conclusions for the design of the outer rotor machine with intensified stator tube inner cooling are summarized.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis

This thesis deal with design and implementation of innovative cooling method, intended primarily for medium-power synchronous generators. The main objective of this proposal is to remove the large heat exchanger connected to generator. This heat exchanger unduly increases the space requirements for the machine location. The proposed solution is to use a direct water-cooled stator. It is assumed that the rotor winding will be still cooled by air. Unlike current cooling system, the hot air from the rotor can be cooled in smaller cooler inside the generator. In this work are described methods which can be used for design of water cooling basic parameters, taking required temperatures into account. A small induction motor was selected for practical verification of the proposed cooling concept. This motor was modified into two variants - related to the old cooling of synchronous generators and related to the proposed solution. Both of these variants were measured and compared with each other. Subsequently, CFD models of these two variants were set up. Measured temperatures were used for debugging of models and identification of material properties of components of these machines. The final model of water-cooled variant also makes it possible to simulate the work of motor for higher performance and to determine the overload compared with the old cooling variant. Some knowledge and experience obtained from the small water-cooled induction machine were used in the design of water-cooling for large synchronous generator. In a similar way, CFD models of the old variant of cooling and proposed variant of water- cooling were created. Although these models were not verified by actual measurements on the generators, the results indicated that the application of water-cooling in this type of machine is appropriate and provides many benefits.

In this fast pace world, climate change is one of the primary concerns worldwide. The world is racing towards reducing CO2 emissions by focusing on decreasing energy consumption. Electric motors capture about two-third of the industrial energy consumption, of which the most growing sector is electrical vehicles. The precise design of electric motors requires an optimal estimation of the machine’s performance characteristics. In this master thesis, the impact on core losses of an electric machine (e-machine) due to laser cutting is studied. The impact is derived in terms of a mathematical model which is introduced in a finite element model of an e-machine to attain optimal performance characteristics. A customized Single Sheet Tester (SST) based measuring apparatus is developed. The measuring apparatus is used to characterize the magnetic materials (electrical steel) used in the core of an e-machine. The studies already presented in the literature compromise on maintaining the same material mass while characterizing the magnetic material. Thus, a novel approach is attempted in this work to maintain approximately the same mass for all test samples used for characterization. The samples under test are laser cut possessing different sample widths leading to different distances from the cut edge. The characterized samples are compared for magnetic properties such as permeability and core losses to derive a mathematical model to estimate the impact of degradation in electrical steel. The derived models are implemented in a reference Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) to analyze the degradation effect on the loss and performance characteristics. The influence of laser cutting impacts drastically the iron losses at an average which increases by about 35 % with a corresponding reduction of 21 % in material permeability. There is an average increase in machine torque by about 2 % and the increase in the total iron losses leads to an average 0.5 % decrease in the efficiency of the machine. The increase in iron losses at lower magnetic flux densities is more significant compared to the saturation region. The maximum degradation effect in the material is nearer to the cutting edge and reduces going away from the cut-edge. The permeability in the material decreases closer to the cut edge and thus the maximum amount of flux gets enforced towards the center because of degradation. / I denna snabba värld är klimatförändringarna en av de främsta problemen världen över. Världen tävlar mot att minska CO2 -utsläppen genom att fokusera på att minska energiförbrukningen. Elmotorer tar upp ungefär två tredjedelar av den industriella energiförbrukningen, varav den mest växande sektorn är elfordon. Den exakta designen av elmotorer kräver en optimal uppskattning av maskinens prestandaegenskaper. I denna masteruppsats studeras inverkan på kärnförluster hos en elektrisk maskin (e-maskin) på grund av laserskärning. Effekten härleds i termer av en matematisk modell som åberopas i en Finite Element Modelling (FEM) av en e-maskin för att uppnå optimala prestandaegenskaper. En skräddarsydd SST-baserad mätapparat utvecklas. Mätapparaten används för att karakterisera de magnetiska material (elektriskt stål) som används i kärnan i en e-maskin. De studier som redan presenterats i litteraturen kompromissar med att bibehålla samma materialmassa samtidigt som de karakteriserar det magnetiska materialet. Således har ett nytt tillvägagångssätt försökts i detta arbete för att bibehålla ungefär samma massa för alla testprover som används för karakterisering. Proverna som testas är laserskurna med olika provbredder vilket leder till olika avstånd från den skurna kanten. De karakteriserade proverna jämförs för magnetiska egenskaper såsom permeabilitet och kärnförluster för att härleda en matematisk modell för att uppskatta effekten av nedbrytning i elektriskt stål. De härledda modellerna implementeras i en referens PMSM för att analysera nedbrytningseffekten på förlust- och prestandaegenskaper. Inverkan av laserskärning påverkar drastiskt järnförlusterna med ett genomsnitt som ökar med cirka 35% med en motsvarande minskning av 21 % i material permeabilitet. Det finns en genomsnittlig ökning av maskinens vridmoment med cirka 2 % och ökningen av de totala järnförlusterna leder till en genomsnittlig minskning av maskinens effektivitet med 0,5 %. Ökningen av järnförluster vid lägre magnetiska flödestätheter är mer signifikant jämfört med mättnadsområdet. Den maximala nedbrytningseffekten i materialet är närmare skäreggen och minskar bortgången från skärkanten. Permeabiliteten i materialet minskar närmare den skurna kanten och sålunda tvingas den maximala mängden flöde in mot mitten på grund av nedbrytning.

Tato diplomová práce se zabývá elektromagnetickou analýzou a modelováním asynchronního stroje s plným rotorem. Tato práce tedy zahrnuje literární rešerši na téma vysokootáčkových elektrických strojů s porovnáním s klasickými elektrickými stroji s převodovkou a popisem jejich výhod či nevýhod, rozdělení vysokootáčkových elektrických strojů s plnými rotory a srovnání jejich výhod či nevýhod, kde se tato práce nejvíce soustřeďuje na vysokootáčkové asynchronní stroje s plnými rotory a jejich použití v průmyslu. Dále se tato práce zabývá metodami výpočtu elektrických asynchronních strojů s plnými rotory. Proto jsou zde uvedeny a popsány metody výpočtu stroje mezi které patří analytické metody i metoda konečných prvků. Vzhledem k povaze elektrických strojů s plnými rotory je hlavně kladen důraz v této práci na výpočet stroje pomocí metody konečných prvků ve 2D prostoru s využitím korekčních činitelů konců plných rotorů, které jsou zde velmi detailně popsány a rozděleny. Na základě dostupné literatury je vypočítaný elektrický stroj s plným rotorem pomocí MKP analýzy. Elektromagnetický výpočet stroje je automatizován pomocí skriptu vytvořeného v Pythonu. Dalším hlavním cílem této práce je popis tzv. náhradních modelů, uvedení jejich výhod či nevýhod, použití v jiných průmyslových odvětvích a hlavně použití náhradních modelů na elektrický stroj s plným rotorem. S využitím náhradních modelů je dále optimalizovaný vybraný asynchronní stroj s plným rotorem a to pomocí programů SymSpace a Optimizer. Pro samotnou optimalizaci byly uvažovány 3 návrhy stroje, které byly na závěr mezi sebou porovnány a to hlavně z hlediska jejich elektromagnetického výkonu.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: In this dissertation a new type of electrical machine, a Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine with a Double-sided Rotor and utilising concentrated, non-overlapping windings, is proposed. The concept of the Double-sided Rotor Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine, or RFAPM machine for short, was derived from the Double-sided Rotor Axial Flux Air-Cored Permanent Magnet (AFAPM) machine. One of the problems that AFAPM machines experience, is the deflection of the rotor discs due to the strong magnetic pull of the permanent magnets, especially with double-sided rotor machines. The main advantage of a RFAPM machine over a AFAPM machine is that the rotor back-iron is cylindrically shaped instead of disk shaped. Due to the structural integrity of a cylinder, the attraction force between the two rotors does not come into play any more. The focus of this dissertation is on a thorough analytical analysis of the Double-Sided Rotor RFAPM machine. With the RFAPM being an air-cored machine, the feasibility to develop a linear, analytical model, to accurately predict the radial flux-density and hence the induced EMF in the stator windings, as well as the accurate calculation of the developed torque of the machine, needed to be investigated. The need for a thorough analytical examination of the Double-Sided Rotor RFAPM machine stemmed from the need to reduce the blind reliance on Finite Element Modelling (FEM) software to calculate the back-EMF and torque produced by these machines. Another problem experienced with the FEM software was to obtain accurate torque results. Excessive ripple torque oscillations were sometimes experienced which took a considerable amount of time to minimise with constant refinement to the meshing of the machine parts. Reduction in the mesh element size unfortunately also added to the simulation time. The requirement for an accurate analytical model of the RFAPM machine was also necessary in order to reduce the amount of time spent on successive FEM simulation to obtain the optimum pole arc width of the permanent magnet in order to minimise the harmonic content of the radial flux-density distribution in the the stator windings. In this dissertation, the use of single-layer and double-layer, non-overlapping, concentrated winding for the RFAPM machine is also investigated. It was decided to include a comparison of these two non-overlapping winding configurations with a “hypothetical” concentrated, overlapping winding configuration. This would allow us to gauge the effectiveness of using nonoverlapping winding with respect to the reduction in copper losses as well as in the reduction in copper volume. It would also allow us to investigate the extent of how much the developed torque is affected by using non-overlapping windings instead of overlapping windings. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie proefskrif word ’n nuwe tipe elektriese masjien, ’n Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien met ’n dubbelkantige rotor en nie-oorvleuelende Windings voorgestel. Die konsep vir die Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien, of RVLPM vir kort, is afgelei vanaf die Dubbelkantige Rotor, Aksiale-vloed Lugkern (AVLPM) masjien. Een van die probleme wat met AVLPM masjiene ondervind word, is die defleksie van die rotorjukke as gevolg van die sterk aantrekkingskragte van die permanente magnete, veral in dubbelkantige rotor masjiene. Die hoof voordeel wat die RVLPM masjien inhou bo die AVLPM masjien, is die feit dat die RVLPM se rotorjukke silindries is in plaas van ronde skywe. As gevolg van die strukturele integriteit van ’n silinders, speel die aantrekkingskrag van die permanente magnete nie meer ’n rol nie. Die fokus van die proefskrif gaan oor die deeglike analitiese analise van die dubbelkantige RVLPM masjien. Weens die feit dat die RVLPM masjien ’n lugkern masjien is, is daar besluit om ondersoek in te stel na die moontlikheid om ’n lineêre, analitiese model vir die masjien op te stel waarmee die radiale-vloeddigtheid, teen-EMK asook die ontwikkelde draaimoment vir die masjien akkuraat bereken kan word. Die behoefde aan ’n akkurate analitiese model vir die dubbelkantige rotor RVLPM masjien is om die blinde vertroue te elimineer wat daar in Eindige-Element Modellering (EEM) sagteware gestel word om die teen-EMK en ontwikkelde draaimoment van die RVLPM masjien uit te werk. ’n Verdere probleem wat daar met EEM sagteware ondervind is, is die akkurate berekening van die ontwikkelde draaimoment. Oormatige rimpel draaimoment ossillasies is soms ondervind wat heelwat tyd geverg het om te minimeer, deur voortdurende verfyning van die EEM maas in die verskillende dele van die masjien. Soos die maas egter kleiner word, verleng dit die simulasie tyd van die EEM aansienlik. Nog ’n rede vir ’n akkurate analitiese model van die RVLPM masjien, is om vinnige metode te verkry om die optimale permanente magneet pool hoekwydte te verkry, wat die minste Totale Harmoniese Vervorming (THV) in die radiale-vloeddigtheidsdistribusie in die statorgebied sal veroorsaak, sonder om herhaaldelike EEM simulasies te loop. In die proefskrif word die gebruik van enkellaag en dubbellaag, nie- oorvleuelende, gekonsentreerde wikkelings vir die RVLPM masjien ook ondersoek. Daar is besluit om hierdie twee nie-oorvleuelende windingskonfigurasies met ’n “hipotetiese” gekonsentreerde, oorvleuelende windingskonfigurasie te vergelyk. Dit behoort ons in staat te stel om die doeltreffendheid van nie-oorvleuelende windings te bepaal, met betrekking tot die afname in koperverliese asook die afname in kopervolume. Verder sal dit ons in staat stel om ook mate waartoe die ontwikkelde draaimoment deur nie-oorvleuelende windings beïnvloed word, te ondersoek.

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

Cette thèse propose une nouvelle structure de machine à courant continu pouvant être utilisée dans une application démarreur Stop-Start automobile. Une structure tridimensionnelle à griffes est proposée pour remplacer le stator à plots actuel dans le but de réduire son coût de fabrication. La structure de la machine à griffes est modélisée par un réseau de réluctances permettant la prise en compte de la saturation et de la réaction magnétique d'induit. Grâce à sa rapidité et précision, ce modèle est ensuite intégré dans un processus d’optimisation afin d'obtenir rapidement une machine optimale. Enfin, un prototype de machine à courant continu à griffes est réalisé, montrant ainsi la faisabilité de cette topologie. Par ailleurs, un modèle original combinant réseaux de réluctances et résolution de l'équation de Laplace a été développé pour lever certaines difficultés liées à la modélisation par réseau de réluctances des machines électriques tout en prenant en compte la rotation / This thesis deals with a new DC machine structure that can be used in an automotive Stop-Start starter application. A three-dimensional claw pole stator is proposed to replace the current stator in order to reduce its manufacturing cost. The claw pole machine topology is modeled by a reluctance network to take into account the saturation and the magnetic armature reaction. Thanks to its speed and precision, this model is then integrated in an optimization process to obtain an optimal machine. Finally, a prototype of a machine with DC claws is manufactured to show the feasibility of this topology. Moreover, an original model combining reluctance networks and solving the Laplace equation has been developed to overtake some difficulties related to modeling by reluctance network of electrical machines while taking into account the rotation