Suurnopeuskoneilla saavutetaan useissa sovelluksissa huomattavia hyötyjä. Koneen kokoa voidaan pienentää tavanomaisiin, verkkotaajuudella toimiviin koneisiin verrattuna. Sovelluksen voimansiirto yksinkertaistuu, kun työkone liitetään samalle akselille suurnopeuskoneen roottorin kanssa. Moottorikäytön ja prosessin kokonaishyötysuhdetta voidaan parantaa esimerkiksi pumppu- ja kompressorisovelluksissa.
Suumopeuskoneiden suunnittelun vaikeutena on empiirisen suunnittelutietouden puute. Suumopeuskoneiden optimaalinen rakenne saattaa poiketa huomattavasti tavanomaisten koneiden rakenteesta. Konevakioihin ja skaalausmetodeihin perustuvat suunnittelumenetelmät eivät välttämättä anna oikeita tuloksia.
Tämän työn tavoitteena oli luoda suumopeuskoneiden suunnitteluun sopiva ohjelma.
Ohjelmassa yhdistettiin geneettiseen algoritmiin perustuva sähkökoneiden optimointiohjelma sekä lämpöverkko-ohjelma, jolla lasketaan koneen lämpenemä sekä kitka- ja tuuletushäviöitä.
Kirjallisuuden perusteella voidaan todeta, että avainasema massiiviroottorisen suurnopeuskoneen häviöiden vähentämisessä on ilmavälivuon yliaaltosisällön pienentämisessä ja massiiviroottoripinnan yliaaltovastuksen kasvattamisessa.
Yliaaltosisältöä voidaan pienentää käämitys- ja muotoiluratkaisuilla, urakiiloilla sekä ilmaväliä kasvattamalla. Roottorimateriaalin valinnalla ja pinnoittamisella voidaan kasvattaa roottorin yliaaltovastusta. Materiaalien kehitystä hyödyntämällä ja käyttöä kehittämällä voidaan saavuttaa parannuksia myös staattorilaminoinnin osalta. Monilla häviöiden pienentämiseen tähtäävillä toimenpiteillä on sivuvaikutuksia, jotka lisäävät häviöitä tai muuten huonontavat koneen tai käytön ominaisuuksia. Hyödyt ja haitat tulee punnita kokonaisvaltaisesti.
Jäähdytystäpä on valittava sovelluskohtaisesti ottamalla huomioon kaikki käytön ja käyttöympäristön vaikutustekijät. Jäähdytysratkaisulla on suuri merkitys suumopeuskoneen optimaaliseen häviöj akautumaan ja sitä kautta koneen optimaaliseen rakenteeseen.
Optimointityön määrittelyyn kuuluu koneen rakennetta kuvaavan mallin luominen.
Malli sisältää tiedot optimoitavan koneen parametreista ja lainalaisuuksista, joiden puitteissa optimialgoritmi voi optimia hakea. Koneiden vertailua varten tarvitaan kohdefunktio, joka määrittää yksittäisen koneen hyvyyden. Kohdefunktioon liitettävillä sakkofunktioilla voidaan arviointiin sisällyttää haluttuja, koneelle asetettuja, ominaisuusvaatimuksia. Koneiden ominaisuudet halutussa toimintapisteessä lasketaan elementtimenetelmään perustuvalla sähkömekaanisella laskentaohjelmistolla ja lämpöverkkomallinnukseen perustuvalla lämpömekaanisella laskentaohjelmalla.
Toimintapiste etsittiin koneen jättämää ja jäähdytysvirtauksia säätämällä.
Optimointiohjelman toiminta perustuu geneettiseen optimointialgoritmiin. Yhden konerakenteen sijaan optimoitavana on koneiden populaatio. Luonnon evoluutiota matkien konerakenteet alistetaan kilpailuun elintilasta ja lisääntymisestä. Geneettisillä operaattoreilla muunnellaan koneiden parametreja parempien rakenteiden toivossa.
Hyvien rakenneyksilöiden suunnitteluparametrit leviävät populaatiossa ja sukupolvien myötä konerakenteiden ominaisuudet lähestyvät optimia.
Optimointiohjelman testaamiseksi laskettiin kaksi optimointitapausta, joissa minimoitiin suumopeusmoottorin häviöitä. Samalla saatiin tietoa kyseisten moottoreiden optimaalisesta rakenteesta. Optimointiohjelma toimi toivotulla tavalla ja tuloksen moottorirakenteet tukivat kirjallisuudessa esitettyjä keinoja häviöiden pienentämiseksi. Puutteita havaittiin lähinnä ohjelman ergonomiassa ja koneen termisen toimintapisteen löytämisessä.
LÄHDELUETTELO
Arkkio A. 1996. Losses in Inverter-Fed. Cage Induction Motors. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16. Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 126 -
135.
Arkkio A. 1993. Electromagnetic Design for High Speed Induction Motors. Helsinki University of Technology, Laboratory of Electriomechanics. Espoo, Finland. 85 s.
Arkkio A. 1987. Analysis of Induction Motors Based on the Numerical Solution of Magnetic Fields and circuit equations. Helsinki. Acta Polytechnica Scandinavica, Electrical Engineering Series No. 59. 97 s.
Andresen E. Ch., Keller R. 1996. Squirrel Cage Induction Motor or Permanent Magnet Synchronous Motor: a Comparison For Industrial Drives witk Current Source Inverter. Symposium on Power Electronics, Industrial Drives, Power Quality, Traction System, (Speedam ‘96), Proceedings. Capri, Italy. June 5th -7th, 1996. S.A3-23 - АЗ- 28
Andresen E. Ch., Kruckow W., Pfeiffer R. 1986. The Effect of Air Gap Increase on Mains and Inverter Supplied Induction Machines. International Conference on Evolution and Modern Aspects of Induction Machines, Proceedings. Turin, Italy. July 8- 11. S.203 - 209
Bleijs C. A., Demonchy M., Rioux C. 1984. Optimisation of a High Speed Solid Rotor Asynchronous Machine in View of Reducing Rotor Losses and Improving the Inverter
Utilisation Factor. Electric Machines and Power Systems. No. 9. s. 375 - 386
Boglietti A., Ferraris P., Lazzari M., Profumo F. 1992. About the Design of Very High Speed Induction Motors for Spindle Applications. IEEE IAS-meeting, s. 25 - 32
Boglietti A., Ferraris P., Lazzari M., Profumo F. 1988. Preliminary Considerations about the Adoption of Unconventional Magnetic Materials and Structures for Induction Motors. IEEE IAS meeting. Vol 1. s. 188 - 194
Colton B. 1990. What It Takes to Choose a High-Speed AC Motor. Power Transmission Design. No. 9, s. 45-47
Faiz J., Sharifian M. B. B. 1995. Comparison of Two Optimization Techniques for the Design of a Three-Phase Induction Motor Using Three Different Objective Functions.
ETEP, Vol. 5, No. 3, s. 199-205
Fei R., Fuchs E. F., Huang H. 1989. Comparison of Two Optimization Techniques as Applied to Three-Phase Induction Motor Design. IEEE Trans, on Energy Conversion, Vol. 4, No. 4, s. 651-658
Feng X., Dong S., Lizhanchuan, Xiao C., Lin J., Li X. 1994. Fuzzy Optimum method in Motor Design. Proceedings of ICEM ‘94. Paris, France. Vol. 1. s. 347 - 350
Fuchs E. F., Frank U. V. 1983a. High-Speed Motors with Reduced Windage and Eddy Current Losses, Part II: Magnetic Design. ETZ Archiv. Bd. 5, H. 2. s. 55 - 62
Fuchs E. F., Frank U. V. 1983b. High-Speed Motors with Reduced Windage and Eddy Current Losses, Part I: Mechanical Design. ETZ Archiv. Bd. 5, H. 1. s. 17-23
Fukao T., Chiba A., Matsui M. 1989. Test Results on a Super-High-Speed Amorphous- Iron Reluctance Motor. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 25, No. 1, s.
119- 125
Gilon D. C. 1994. Cooling Solutions for High-Speed High-Power Induction Motors.
Proceedings of ICEM ‘94. Paris, France. Vol. 3. s. 516 - 521
Haataja J., Pyrhönen J. 1996. High Efficiency Squirrel Cage Induction Motors:
Technical and Economical Consideration. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16.
Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 285 - 291
Huppunen J., Pyrhönen J. 1996. High Efficiency Medium and High Speed Solid Rotor Induction Motors. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16. Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 279 - 284
Jansson P., Persson M. 1996. Powdered Soft Magnetic Materials for Medium Frequency Applications. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16. Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 26 - 33
Jokinen T. ja Arkkio A. 1996. High-Speed AC Motors. Symposium on Power Electronics, Industrial Drives, Power Quality, Traction System, (Speedam ‘96), Proceedings. Capri, Italy. June 5th -7th, 1996. s. B5-9 - B5-14
Jokinen T. 1995. Vaihtosähkökoneen synnyttämät yliaallot ja melu. Teoksessa: Perho J, Niemenmaa A., Jokinen T., Arkkio A. Vaihtosähkökoneen yliaaltoilmiöt, Teknillinen korkeakoulu, sähkömekaniikan laboratorio. 178 s.
Jufer M. 1996. Design and Losses - Scaling Law Approach. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16. Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 21 - 26
Kaga A., Anazawa Y., Akagami H., Watabe S., Makino M. 1982. A research of Efficiency Improvement by Means of Wedging with Soft Ferrite in Small Induction Motors. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-18, No. 6. s. 1547 - 1549
Larjola J. 1988. The Principle of High Speed Technology. Teoksessa: Larjola J. (toim.).
Proceedings of Conference on High Speed Technology. Lappeenranta, Finland.
August 21-24, 1988. s. 11 - 28
Michalewicz Z. 1992. Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programmes. Springer Verlag. 251 s.
Nee H.-P. 1996. Harmonic Losses and Rotor Slot Design of Inverter-Fed Induction Motors. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16. Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 136 - 159. ISBN 87-8919-12-9
Niemenmaa A. 1995. Vaihtosähkökoneen käämitysyliaallot. Teoksessa: Perho J, Niemenmaa A., Jokinen T., Arkkio A. Vaihtosähkökoneen yliaaltoilmiöt, Teknillinen korkeakoulu, sähkömekaniikan laboratorio. 178 s.
Palko T. S. 1994. Structural Optimisation of Cage Innduction Motors Using Finite Element Analysis. Licentiate Thesis. Helsinki University of Technology, Laboratory of Electromechanics. Report 45. Espoo. 61s.
Pasquarella G., Reichert K. 1990. Development of Solid Rotors for a High-Speed Induction Machine with Magnetic Bearings. ICEM ‘90. Massachusetts, USA. August
13 - 15. s. 464-469
Perez I. J., Kassakian J. G. 1979. A stationary thermal model for smooth air-gap rotating electric machines. Electric Machines and Electromechanics, No. 3 -4, s. 285 - 303
Perho J. 1995. Vaihtosähkökoneen urakäämitykset. Teoksessa: Perho J, Niemenmaa A., Jokinen T., Arkkio A. Vaihtosähkökoneen yliaaltoilmiöt, Teknillinen korkeakoulu, sähkömekaniikan laboratorio. 178 s.
Pyrhönen J. 1996. Medium Speed (<30000 Rpm) Solid-Rotor Induction Motors - Design Principles and Loss Reduction. The Nordic Research Symposium, Energy Efficient Electric Motors and Drives, Proceedings. Skagen, Denmark. August 12 - 16.
Institute of Energy Technology, Aalborg University, s. 193 - 220
Pyrhönen J., Kurronen P. 1994. Increasing the Efficiency of High-Speed Solid-Rotor Induction Machines. Proceedings of ICEM ‘94. Paris, France. Vol. 1. s. 47 - 52
Pyrhönen J., Kurronen P. 1993a. Massiiviroottorisen Suumopeusoikosulkumoottorin Hyötysuhteen Parantaminen, Osa 3, Loppuraportti. LTKK, Energiatekniikan osasto, kesäkuu 1993, 16 s. Tutkimusraportti EN B-80
Pyrhönen J., Kurronen P. 1993b. Massiiviroottorisen Suumopeusoikosulkumoottorin Hyötysuhteen Parantaminen, Osa 2, Moottorin Rakentaminen ja Mittaukset. LTKK, Energiatekniikan osasto, tammikuu 1993, 22 s. Tutkimusraportti EN B-78
Pyrhönen J., Kurronen P. 1991. Massiiviroottorisen Suumopeusoikosulkumoottorin Hyötysuhteen Parantaminen, Osa 1, Harmonisten teoriaa. LTKK, Energiatekniikan osasto, lokakuu 1991, 21 s. Tutkimusraportti EN B-73
Rama J. C., Giesecke A. 1995. High Speed Electric Drive Applications, Experience, Potential, & Pitfalls - a Global Overwiev -. Teoksessa: ШЕЕ LAS 42nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conference.
Richter R. 1954. Elektrische Maschinen IV, Die Induktionsmaschinen. Zweite verbesserte Auflage. Basel/Stuttgart. Verlag Birkhäuser. 440 s.
Saari J., Arkkio A. 1995. Cooling of a 100 000 rpm High-Speed Electrical Motor.
Proceedins of the Second Chinese International Conference on Electrical Machines, CICEM ‘95. Hangzhou, China, s. 317 - 322
Saari J. 1995. Thermal Modelling of High-Speed Induction Machines. Helsinki. Acta Polytechnica Scandinavica. Electrical Engineering Series No. 82. 82 s.
Takahashi I., Koganezawa T., Guijia S., Kazunobu O. 1994. A Super High Speed PM Motor Drive System by a Quasi-Current Source Inverter. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 30, No. 3. May/June. s. 683 - 690
Vuola O. 1996. High-Speed Electrical Machine Applications in Particle Physics Research. Master of Science thesis, Helsinki University of Technology, Faculty of Electrical Engineering. 89 s.
Väänänen J. 1995. Combination of Two-Dimensional Finite Element Analysis of Electrical Machines with Circuit Simulation Techniques. Helsinki. Acta Polytechnica Scandinavica, Electrical Engineering Series No. 80. 104 s.
Wallstein D. 1988. Some Applications of Electric High Speed Drives in the Megawatt Range. Teoksessa: Larjola J. (toim.). Proceedings of Conference on High Speed Technology. Lappeenranta, Finland. August 21-24, 1988. s. 247 - 257
1,00
Kuva
А
1.Eri käämitysten käämityskertoimet.O onuraluku,W/Tonjänteistyskerroin.0,90
T
m Os(N
I
r-ooooooooo
00 t> 40 «Л rh m (N О
o' o' о" о" сГ сГ о*4 сГ о"'
xc xo
*n
g 6Ü, é: &
> > 42 X©
<N <N <n
II II II II
Oi O) O) Ol
■ 0 □ □
Å>/mЛ2.
£ л
käämitystenmagneettijännitespektrit.Q onuraluku,W/Tonjänteistyskerroin.Liite В: RAKENNEMALLIN SUUNNITTELUPARAMETRIT JA KUVA MALLIN TOPOLOGIASTA
Taulukko Bl. Konerakennemallin muuttujaparametrit. Jäähdytysvirtausparametrit Qc ja Qew eivät ole optimoitavia parametreja vaan säädettäviä
parametreja.
Ls staattorin levysydämen pituus Le w vyyhdenpään suoran osan pituus
^sout staattorin ulkohalkaisija Orout roottorin ulkohalkaisija
^sin staattorin sisähalkaisija H2 roottoripinnoitteen paksuus Hl staattoriuran muotoparametri He ndr oikosulkurenkaan paksuus Hu staattoriuran muotoparametri Lc ilmasolan leveys
Hn staattoriuran muotoparametri Un syöttöjännitteen amplitudi Bu staattoriuran muotoparametri Qc keskisolan jäähdytysvirtaus B\2 staattoriuran muotoparametri ôew vyyhdenpään jäähdytysvirtaus Bi3 staattoriuran muotoparametri
Taulukko B2. Konerakennemallin johdannaisparametrit.
Lseff efektiivinen staattorin Lreff efektiivinen roottorin
levysydämen pituus magneettisydämen pituus
-Í4ialfc käämikierroksen puolipituus Le ndr oikosulkurenkaan pituus De w vyyhdenpään paksuus ■Aendr oikosulkurenk. poikkipinta-ala Bsv/ käämin resistanssi ^endr oikosulkurenk. keskihalkaisija Xevj käämin vyyhdenpääreaktanssi Dev/i vyyhdenpään sisähalkaisija Lfr päätyrungon pituus Dev/o vyyhdenpään ulkohalkaisija Lr roottorin magneettisydämen
pituus
Taulukko B3. Konerakennemallin vakio- ja tavoitevakioparametrit. Tavoitevakio- parametrit on erotettu vakioparametreista etumerkillä *.
Ps akseliteho f/si käämilangan eristepaksuus
f syöttötaajuus Ds akselin halkaisija
ku j ännitemuotoindeksi H{ rungon paksuus
p napapariluku Lsh akselin pituus
m vaiheluku kt roottoripinnan karheuskerroin
Nr rinnakk. käämihaarojen lukum. To ympäristön lämpötila
Nu tehollisten kierrosten lukum. X staattorikäämin keskim. lämpötila M käämikerrosten lukumäärä *Tr roottoriakselin lämpötila
w vyyhdenleveys kc j äähdy ty skaasuindeksi
Q staattoriurien lukumäärä CCi lämmönsiirtymiskertoimia, /=1... 18 Dc käämiiangan halkaisija
ч1
s
KuvaBl.Rakennemallintopologia