Suurnopeusmoottorin kolmiulotteinen sähkömagneettinen mallintaminen

Abstract

Sähkömoottori on perusperiaatteeltaan yksinkertainen toimilaite, joka muuttaa sähköisen energian liike-energiaksi. Sähkömoottorit toimivat hyvin vaihtelevissa ja vaativissa olosuhteissa erilaisten teollisuuden prosesseiden osana, joissa niiltä vaaditaan erikoistumista ja soveltuvuutta kulloisenkin prosessin tai käyttökohteen erityispiirteiden mukaan. ABB-motorsilla on kehitetty uudentyyppistä, kiinteän roottorirakenteen synkronista suurnopeusreluktanssimoottoria suurella kierrosnopeudella pyöriviin sähkökäyttöihin. Kiinnostuksen kohteena on ollut uuden reluktanssiroottorin edut ja haitat sekä erityisesti sen suorituskyky perinteisiin induktiomoottoreihin nähden. Kehitystyön kannalta kiinnostavaa ovat uuden roottorin tuottama vääntömomentti sekä roottorin pinnalla tapahtuvat pyörrevirtahäviöt. Nämä ovat merkittävässä osassa arvioitaessa uuden roottorityypin potentiaalia, kehityssuuntia sekä kaupallista kilpailukykyä ja mahdollisuuksia induktiomoottoreiden hallitsemilla markkinoilla. Tässä työssä tutkitaan uudentyyppisen reluktanssiroottorirakenteen sähköisiä ominaisuuksia sekä tarkemmin staattorihammastuksesta aiheutuvien yliaaltojen vaikutuksia vääntömomenttiin ja pyörrevirtahäviöihin roottoripinnalla. Tarkasteltavia ilmiöitä simuloidaan kolmiulotteisesti Ansoftin Maxwell FEM-ohjelmiston avulla. Näin erilaisten tarkastelujen avulla tutkitaan roottorimateriaalien suhteellisen permeabiliteetin, moottorin ilmavälipituuden sekä roottorin erilaisten hilarakenteiden vaikutuksia moottorin vääntömomenttiin sekä roottoripinnan pyörrevirtahäviöihin. Simulaation tuloksista selviää magneettivuon ja vuontiheyden käyttäytyminen, roottorin terässauvojen saturoitumisen vaikutus vääntömomenttiin sekä vuon eteneminen uudessa roottorirakenteessa. Magnetostaattisen analyysin perusteella on arvioitu roottorirakenteen pitkittäis- ja poikittaisinduktanssien suuruutta sekä määritetty roottorirakenteen anisotrooppisuussuhde. Simuloinnit osoittavat vääntömomentin käyttäytymisen tehokulman ja staattorivirrantiheyden eri arvoilla sekä staattorihammastuksesta aiheutuvan vääntömomenttirippelin esiintymisen. Tuloksien perusteella voidaan arvioida roottorin alumiinipronssin suhteellisen permeabiliteetin muutosten vaikutusta vääntömomenttiin ja häviömallinnuksen kautta saadaan käsitys roottorin pinnalla tapahtuvien pyörrevirtojen suuruudesta sekä pystytään arvioimaan ilmavälin ja roottorin hilarakenteen vaikutuksia jatkossa tehtävää roottorirakenteen kehitystä varten. /Kir11