Eddy currents in windings of switched reluctance machines [Elektronische Ressource] / Christian Carstensen

Christian Carstensen

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Eddy Currents in Windings of
Switched Reluctance Machines
Von der Fakulta¨t fu¨r Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
Diplom-Ingenieur
Christian Carstensen
aus
Bonn
Berichter:
Universita¨tsprofessor Dr. ir. Rik W. De Doncker
Universit¨atsprofessor Dr.-Ing. Kay Hameyer
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 20.11.2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨Worte des Dankes
Als ich vor vielen Jahren als Student zum ersten Mal an das Institut fu¨r Stromrichter-
technik und Elektrische Antriebe (ISEA) kam, fu¨hlte ich mich unmittelbar wohl. Das
gute Arbeitsklima und die gelebte Hilfsbereitschaft unter den ISEAnern gepaart mit viel
Eigenverantwortung bei der Projektarbeit zeichnet das Institut aus. Nun, da ich meine
Dissertation in Handen halte, bedanke ich mich bei allen ISEAnern fur die vielfaltige¨ ¨ ¨
Unterstutzung und Anregung, die ich im Laufe der Jahre erfahren habe.¨
IchdankeProfessorDeDonckerdafur,dassermirdieGelegenheitgegebenhat,anseinem¨
Institut aktuelle Industrieprojekte zu bearbeiten, an Lehrveranstaltungen mitzuwirken
und internationale Konferenzen zu besuchen. Dank auch fur das mir entgegengebrachte¨
Vertrauen und die damit verbundenen Freiheiten bei der Wahl und Bearbeitung meines
¨Promotionsthemas.BeiProfessorHameyerbedankeichmichfu¨rdiefreundlicheUbernah-
me des Korreferats.
Mit Robert B. Inderka habe ich so manche Nacht am Antriebsprufstand durchgemessen,¨
getrieben von der beiderseitigen Begeisterung fu¨r die Sache. Zu jener Zeit war die Gruppe
nochkleinundesentstandderBegriffderISEAReluktanzfamilie.Seithersindvielehinzu-
gekommenundichmo¨chtemichfu¨rdiescho¨neZeitbedankenbei:MarcusForscherMenne,
Robert Baukran Inderka, Jens trockene Spru¨che Fiedler, Raissa ich geh nach Schweden
¨Ottl, Kevin Torfrock Klumps, Stefan Ebay Bauer, dem kleinen aber feinen crazy Thai
Nisai,KnutdemFelsKasper,TimoWakeboardSchoenen,SatitMr.GeneOwatchaiphong,
Martin VW-Bus Kollege Hennen, Christoph Regenschirm Neuhaus, Daniel Sensorlos van
Treek, Helge Organisationschef Brauer und Matthias kann auch trocken wie Jens Bosing.¨
Mein Dank gilt naturlich auch den Studenten, die durch ihren Einsatz zum Gelingen der¨
Projekte, zumAufbau derPrufstande undzur Instandhaltungunserer Elektrowagenflotte¨ ¨
beigetragen haben: Andreas Flock, Frank Fettich, Ralf Angenheister, Georg Honnen-
Louven, Dieter Bohl, Achim Volmer, Claus Wefers, Jens Bockstette.¨
Zu meiner Dissertation haben maßgeblich Timo Schoenen und Jens Bockstette beigetra-
gen,diemeineVisioneinerautomatisiertenModellgenerierunginProgrammcodegegossen
und damit die vielen Simulationen erst ermoglicht haben. Ein besonderer Dank geht an¨
Helge Brauer und Matthias Bo¨sing, die meine Ausarbeitung mit Hingabe Korrektur gele-
sen und Optimierungspotenziale schonungslos ru¨ckgemeldet haben.
Bei Herrn Altendorf und Herrn Reutlinger bedanke ich mich fur die angenehme und¨
unkomplizierte Zusammenarbeit bei gemeinsamen Projekten.
Meinem Oberingenieurskollegen Christoph Meyer danke ich fur die gute Zusammenarbeit¨
und fur seinen großen Einsatz, den er fur unsere gemeinsame Aufgabe leistet.¨ ¨
Viel Ruckhalt gibt mir meine große Familie. Allen voran danke ich meinen Eltern, die¨
stets an mich geglaubt haben und mir damit viel Kraft und Zuversicht mit auf den Weg
gegeben haben.
ZumSchlussdankeichmeinerliebenMalou.SiegibtmirstarkenRuckhalt,undinderZeit¨
des Schreibens hat sie mich von den meisten Alltagsaufgaben befreit, mich stets motiviert
und ofters auch mit fachlichen Fragen zu meiner Arbeit uberrascht.¨ ¨
Aachen, Januar 2008 Christian Carstenseni
Table of Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation and Objective of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Outline of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Switched Reluctance Machines - Design and Verification 5
2.1 Common Design Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 General Aspects of the Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Current Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Thermal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 End-Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.4 Lamination Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.5 Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Winding Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Number of Winding Turns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Mechanical Winding Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Machine Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Loss Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.3 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Fundamentals of Analytic Eddy Current Loss Calculation 23
3.1 Skin Effect in a Round Conductor Surrounded by Air . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Calculation of Current Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.2 Skin Effect Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Skin Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Current Displacement in Slot Windings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Skin Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 Proximity Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 Analytic Loss Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41ii TABLE OF CONTENTS
3.2.4 Definition of Winding Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Arbitrary Current Waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Finite Element Model 53
4.1 Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1 Simulation Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.2 Winding Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.3 Search Coils for Flux Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.4 Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.5 Electrical Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.6 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.7 Automated Model Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Solving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 User-Defined Input Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Consideration of End-Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.3 Solving with FLUX-to-Simulink Technology . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Post Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.1 Machine Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.2 Converter Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3 Copper Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.4 Iron Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.5 Friction Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.6 Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Evaluation of the FEM Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1 Simulation versus Measurement for OKOFEH Machines V1 and V2 95
4.4.2 Simulation versus Measurement of a Pancake Type Machine . . . . 96
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5 Analysis and Optimization of Winding Designs 103
5.1 Analysis of Winding Geometry V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.1 Copper Losses as Function of Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.2 Spatial Loss Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.3 Analytic Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106TABLE OF CONTENTS iii
5.1.4 Optimization of Winding Geometry V1 . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 Analysis of Winding Geometry V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 Copper Losses as Function of Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.2 Spatial Loss Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.3 Analytic Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.4 Optimization of Winding Geometry V2 . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3 Alternative Winding Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.1 Winding V4 . . . . . .