Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä
Vakkamäki, Henri (2015)
Diplomityö
2015
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201505138170
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201505138170
Tiivistelmä
Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä.
Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus.
Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta.
Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan.
Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin.
Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille. Requirements for elevator hoisting machines are constantly tightening. In particularly noise and vibration behavior of hoisting machines are more and more closely examined. Noise and vibration conducted to the elevator car and surrounding structures are affecting highly to the quality impres-sion of the customer.
Hoisting machine is one of the most significant sources of noise and vibration in the elevator sys-tem. By the design of hoisting machine these can be minimalized. Finite element method (FEM) is often utilized for simulation purposes in challenging electrical machine designs. KONE Corpora-tion uses Axial Flux-Permanent-Magnet Synchronous Machine (AFPMSM) hoisting machines in elevator applications. Normally three different FEM simulation methods are utilized at develop-ment phase. These techniques have their own advantages and disadvantages. In development effi-ciency point of view it is important to find a technique for modeling that it is providing enough in-formation about the behavior of machine in an acceptable time frame.
Topic of this master thesis is development of a system which can execute detailed force analysis for an AFPMS-machine. This system can be utilized for verification of different FEM models and for analyzing the noises and vibrations generation in AFPMS-machines. This system will also increase KONE’s know-how about AFPMSM.
In this thesis unidealities of AFPMS-machines are examined in the context of the measuring sys-tem. The noise behavior of an electrical motor is also discussed. To support comparison between different FE-methods the most common AFPMSM FE-methods are presented.
As a result of this thesis a measurement system for detailed force analysis of AFPMSM is intro-duced. The system can perform six degrees of freedom force measurement for each permanent magnet with a resolution of lest than 1N. Behavior of the measurement system has been validated with FEM simulations and reference measurements.
The design of the force measurement system allows more precise analysis of several different uni-dealities of an electrical machine. Adaptation of the measurement idea for other electrical machine topologies than AFPMSM provides opportunities for development.
Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus.
Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta.
Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan.
Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin.
Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.
Hoisting machine is one of the most significant sources of noise and vibration in the elevator sys-tem. By the design of hoisting machine these can be minimalized. Finite element method (FEM) is often utilized for simulation purposes in challenging electrical machine designs. KONE Corpora-tion uses Axial Flux-Permanent-Magnet Synchronous Machine (AFPMSM) hoisting machines in elevator applications. Normally three different FEM simulation methods are utilized at develop-ment phase. These techniques have their own advantages and disadvantages. In development effi-ciency point of view it is important to find a technique for modeling that it is providing enough in-formation about the behavior of machine in an acceptable time frame.
Topic of this master thesis is development of a system which can execute detailed force analysis for an AFPMS-machine. This system can be utilized for verification of different FEM models and for analyzing the noises and vibrations generation in AFPMS-machines. This system will also increase KONE’s know-how about AFPMSM.
In this thesis unidealities of AFPMS-machines are examined in the context of the measuring sys-tem. The noise behavior of an electrical motor is also discussed. To support comparison between different FE-methods the most common AFPMSM FE-methods are presented.
As a result of this thesis a measurement system for detailed force analysis of AFPMSM is intro-duced. The system can perform six degrees of freedom force measurement for each permanent magnet with a resolution of lest than 1N. Behavior of the measurement system has been validated with FEM simulations and reference measurements.
The design of the force measurement system allows more precise analysis of several different uni-dealities of an electrical machine. Adaptation of the measurement idea for other electrical machine topologies than AFPMSM provides opportunities for development.