Rotor dynamics and stator vibrations of a novel IPM synchronous motor

• Autorzy: Goraj R. , Spagnolo A.

Identyfikatory

DOI

10.7494/mech.2015.34.l.9

Warianty tytułu

PL

Analizy dynamiczne synchronicznego silnika elektrycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the rotor-dynamical computations of a technology demonstrator of an interior permanent magnet (IPM) synchronous motor designed at the Research and Technology Center of Siemens AG within the frame­work of the European-funded project called MotorBrain. The computations were split into parts consisting of modal and harmonic analyses performed numerically using FEM algorithms and the post-processing estimation of the amplitudes of rotor displacement and velocity within the whole range of a motor's rotation speed. The authors determined modal damping ratios and found resonance frequencies. In a further step, forces were applied to the rotor in order to determine the oscillation amplitudes of points placed along the rotor's geometrical axis (in the cases of both mechanically- and electromagnetically-excited rotors). The computations were performed for the excitation of the first and second flexural vibration mode. Except for rotor-dynamical computations, the authors performed vibration analyses of the stator along with the motor housing. The stator resonance frequencies and their modal deformation shapes were determined. In a further step, electromagnetic forces acting on the stator teeth were nume­rically found. These forces were then applied to each stator tooth in order to perform harmonic vibration analyses in an attempt to determine the spatial average velocity of the motor housing circumference area.

PL

W artykule przedstawiono dynamikę wirnika prototypu pewnego silnika elektrycznego zaprojektowanego w Centrum Badań Naukowych i Technologii firmy Siemens AG, w ramach projektu MotorBrain współfinansowanego ze środ­ków Unii Europejskiej. Obliczenia zostały podzielone na analizę modalną i harmoniczną. Obliczenia przeprowadzo­no numerycznie, z wykorzystaniem algorytmów metody elementów skończonych. Znaleziono amplitudy drgań i pręd­kości drgań wirnika oraz przedstawiono je w funkcji prędkości obrotowej. Autorzy obliczyli wartości tłumienia modalnego oraz częstotliwości rezonansowe. W kolejnym kroku obliczono amplitudy drgań punktów wirnika położo­nych na osi obrotu, dla przypadku wzbudzenia go siłami mechanicznymi i elektromagnetycznymi. Poza dynamiką wirnika autorzy przeprowadzili analizy drgań statora wraz z obudową silnika. Za pomocą algorytmów numerycznych zostały wyznaczone częstotliwości rezonansowe statora oraz kształty jego modalnych deformacji. W kolejnym kroku znaleziono siły elektromagnetyczne działające na zęby statora. Siły te zostały użyte do wzbudzenia statora i przepro­wadzenia analiz harmonicznych, w celu obliczenia uśrednionej prędkości drgań powierzchni obudowy silnika.

Słowa kluczowe

EN

rotor dynamics; synchronous motor; electromagnetic excitation; stator vibrations

PL

dynamika; wirnik; silnik synchroniczny; wzbudzenie elektromagnetyczne; wibracje stojana

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Mechanics and Control
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 34, no. 1
• Strony: 9--18
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz, rys., wykr.

Twórcy

autor

Goraj R.

• Siemens AG, Corporate Technology, Research & Technology Center, Erlangen, Germany

autor

Spagnolo A.

• Siemens AG, Corporate Technology, Research & Technology Center, Erlangen, Germany

Bibliografia

• 1. Arata M., Takahashi N., Fujita M., Mochizuki M., Araki T, Hanai T., 2012, Noise lowering for a large variable speed range use permanent magnet motor by frequency shift and structural response evaluation of electromagnetic forces. Journal of Power Electronics 12(1), 67-74.
• 2. Brockerhoff P., Burkhardt Y., Ehlgen T, Lucas P., 2013, Electrical drive train without rare earth magnets and integrated inverter with inherent redundancy. Electric Drives Production Conference and Exhibition.
• 3. Islam M., Husain I., 2010, Analytical model for predicting noise and vibration in permanent-magnet synchronous motors. IEEE Transactions on Industry Applications 46(6), 2346-2354.
• 4. Miller T.J., McGilp M., 2009, Analysis of multi-phase, permanent--magnet synchronous machines. International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 15-18 November.
• 5. MotorBrain, http://www.motorbrain.eu/ abgerufen (21.04.2016).
• 6. Pellerey P., Lanfranchi V, Friedrich G., 2012, Coupled numerical simulation between electromagnetic and structural models influence of the supply harmonics for synchronous machine vibrations. IEEE Transactions on Magnetics 48(2), 983-986.
• 7. Rahman K., Anwar M., Schulz S., 2011, The Voltec 4ET50 electric drive system. SAE International Journal of Engines 4(1), 323—331.
• 8. Zhu Z., Xia Z., Wu L., Jewell G., 2010, Analytical modeling andfinite--element computation of radial vibration force in fractional-slot permanent-magnet brushless machines. IEEE Transactions on Industry Applications 46(5), 1908-1918.