No description available.

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.

[ES] Las bombas hidráulicas son el núcleo de muchos procesos en la industria y el sector servicios. Conviene tener en cuenta que los motores eléctricos son responsables del 69% del consumo de energía eléctrica en la industria, siendo en torno a un 22% de motores utilizados para el accionamiento de bombas. Los fallos de estas bombas pueden provocar averías en el proceso y, por lo tanto, implican altos costes económicos para el operador de la planta. Además, un funcionamiento defectuoso de las bombas conlleva una reducción de la eficiencia energética de la planta. De forma habitual, se utilizan principalmente dos tipos de estrategias orientadas al mantenimiento de maquinaria. Una estrategia de mantenimiento (mantenimiento preventivo) consiste en la sustitución de las piezas desgastadas en un intervalo de tiempo fijo. Este tipo de estrategia presenta muchas desventajas asociadas a la escasa optimización en el uso de los recursos y al consiguiente impacto económico. Por otro lado, la estrategia basada en la condición del equipo (mantenimiento basado en la condición) liga el reemplazo de las piezas desgastadas al estado del equipo, el cual es monitorizado a través de señales adquiridas mediante sensores. Sin embargo, el uso de sensores tiene algunos inconvenientes, como costes de inversión adicionales, posibles problemas en el montaje del sensor y posibles fallos del mismo. El análisis de la señal de corriente no se ha utilizado de forma habitual en la práctica para evaluar el estado de la bomba, aunque en muchas aplicaciones se dispone de sensores de corriente ya instalados que se podrían utilizar a tal fin. Se ha demostrado que técnicas basadas en el análisis de la corriente resultan de gran utilidad para diagnosticar varios tipos de fallos en motores eléctricos. De hecho, el análisis de la firma de corriente del motor se utiliza hoy en día ampliamente en la industria, especialmente para el diagnóstico de fallos en motores de inducción. En la presente tesis, se evalúa la utilización de la técnica de análisis de corrientes para el diagnóstico de fallos típicos relacionados con las bombas en diferentes aplicaciones. Se investigan tres tipos de bombas diferentes: bombas en línea de rotor húmedo, bombas de rotor seco y bombas sumergibles. En la tesis se han adaptado diversas técnicas, previamente empleadas para la detección de fallos en motores, al diagnóstico de fallos en la propia bomba. Los resultados indican que fallos como obstrucción de la bomba, fisura del impulsor y desgaste de los cojinetes influyen especialmente en dos frecuencias del espectro de corriente, las cuales pueden utilizarse como base de estrategias de mantenimiento basadas en la condición. En concreto, en las bombas de rotor húmedo, estos dos indicadores de fallo varían sensiblemente en función del punto de carga hidráulica de la bomba. Con la ayuda de un método de extracción de características basado en la motor reference frame theory, se demuestra que las mencionadas frecuencias pueden analizarse en tiempo real en un entorno industrial. Además, se presentan directrices para la monitorización en la nube y se valida con la ayuda de ensayos de laboratorio. Adicionalmente, se demuestra que los fallos son también detectables al analizar la corriente de arranque mediante herramientas de descomposición tiempo-frecuencia. Este hito no se había abordado anteriormente en la literatura técnica del área en lo referente a la detección de fallos en bombas. En conclusión, los resultados de este trabajo demuestran que los métodos de diagnóstico basados en la corriente pueden detectar con éxito diversos tipos de fallo en bombas, lo cual constituye un punto de gran interés para las industrias que utilicen estos activos en sus procesos. / [CA] Les bombes hidràuliques són el nucli de molts processos en la indústria i en el sector dels serveis. Cal mencionar que els motors elèctrics són responsables del 69% del consum de la energia elèctrica en la indústria, sent al voltant del 22% dels motors utilitzats per l'accionament de bombes. Les fallades d'aquestes bombes poden causar avaries en els processos, i per tant, representen un alt cost econòmic per a l'operador de la planta. A més a més, un funcionament defectuós en les bombes representa una reducció de l'eficiència energètica de la planta. De manera habitual, s'utilitzen principalment dos tipus d'estratègies orientades al manteniment de la maquinària. Una estratègia de manteniment (manteniment preventiu) consisteix en la canvi de les peces desgastades en un interval fixe de temps. Aquest tipus d'estratègia presenta molts desavantatges associats a la reduïda optimització en el ús dels recursos i el seu impacte econòmic. D'altra banda, la estratègia basada en la condició dels equipaments (manteniment basat en la condició) enllaça la substitució de les peces desgastades al estat de l'equip, el qual es monitoritzat per mig de senyals adquirides per sensors. No obstant això, el ús de sensors té alguns inconvenients com costos d'inversió addicionals, possibles problemes al muntatge i possibles fallades. L'anàlisi dels senyals de corrent no s'utilitzen de manera habitual en la pràctica per avaluar l'estat de la bomba, encara que en moltes aplicacions, estos sensors es troben instal·lats i es podrien fer servir per a aquesta finalitat. Ha estat demostrat que les tècniques basades en l'anàlisi de la corrent són de gran utilitat per el diagnosi de diversos tipus de fallades en motors elèctrics. De fet, l'anàlisi de la firma de la corrent del motor s'utilitza àmpliament en l'indústria, especialment per el diagnosi de fallades en motors d'inducció. En la present tesi, s'avalua l'utilització de la tècnica d'anàlisi de corrents per el diagnosi de fallades típiques relacionades en bombes per a diferents aplicacions. Se investiguen tres tipus de bombes diferents: bombes en línia de rotor humit, bombes de rotor sec i bombes submergibles. En aquesta tesi se han adaptat diverses tècniques, prèviament utilitzades en el diagnosi de màquines elèctriques, per al diagnosi de la pròpia bomba. Els resultat indiquen que les fallades com obstrucció de la bomba, la fissura de l'impulsor i el desgast dels coixinets influeixen especialment en dos freqüències de l'espectre de la corrent, les quals es poden utilitzar com a base per a una estratègia de manteniment basada en la condició. Particularment, en les bombes de rotor humit, aquestos dos indicadors de fallada varíen sensiblement en funció del punt de càrrega hidràulica de la bomba. En l'ajuda de un mètode d'extracció de característiques basat en la "motor reference frame theory", es demostra que les mencionades freqüències es poden analitzar en temps real en un entorn industrial. A més a més, es presenten directrius per la monitorització en el núvol i es valida en l'ajuda de assajos en el laboratori. Addicionalment, es demostra que les fallades són també detectables quan s'analitza la corrent d'arrancada mitjançant ferramentes de descomposició temps-freqüència. Aquest fet no ha estat analitzat prèviament en cap tipus de literatura tècnica dins del camp de detecció de fallades en bombes. En conclusió, els resultats d'aquest treball demostren que els mètodes de diagnosi basats en la corrent poden detectar en èxit diversos tipus de fallades en bombes, el qual constitueix un punt d'interés per a l'indústria que utilitzen aquest tipus de actiu en els seus processos. / [EN] Pumps are the heart of many processes in industry and service sector. Electric motors are responsible for 69% of electric energy consumption in industry, with 22% of them being used for the operation of pumps. Pump faults can lead to process breakdowns and are thus related to high costs for the plant operator. Furthermore, faulty operation of pumps reduces the energy efficiency of the plant. In many cases, a time-based maintenance strategy is applied, which means that typical wear parts are replaced within defined time cycles, which comes with some drawbacks such as poor resource efficiency and high costs. Condition-based maintenance strategies - meaning that the replacement of parts is planned based on the condition of the pump - are often based on the evaluation of sensor signals like vibration or noise. However, the use of sensors also has some drawbacks, such as additional investment costs, frequent problems with the sensor mounting, and possible sensor faults. There is no widespread use of the current signal to make statements about the pump condition, although current sensors are installed in many applications anyway. As for motor fault diagnosis, different current-based techniques have demonstrated their function. Today, motor current signature analysis is used in industry, especially for the diagnosis of induction motors. In this thesis, the current-based diagnosis of typical pump-related faults in different applications is evaluated. In total, three different pump types are investigated: a wet-rotor pump, a dry-runner inline pump, and a submersible pump. The techniques used for motor fault detection are adapted for the diagnosis of pump-related faults. The results indicate that the faults clogging, impeller crack, and bearing wear, in particular, influence two frequencies in the current spectrum, which can be used as a basis for a condition-based maintenance strategy. Especially in wet-rotor pumps, these two fault indicators strongly vary depending on the hydraulic load point of the pump. With the help of a feature extraction method based on the adapted reference frame theory, this work demonstrates that the two frequencies can be analyzed in real time in a field environment. Furthermore, a concept for cloud monitoring is presented and validated with the help of a laboratory test. Additionally, it is demonstrated that the faults are visible if the starting current is evaluated in a time-frequency map, which has not been considered before in the literature on pump-related faults. In summary, the findings of this work indicate that current-based diagnosis methods can successfully detect typical faults in pumps, a fact that is of high interest for companies using these assets in their industrial processes. / Becker, V. (2022). Current-based Techniques for Condition Monitoring of Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190630