Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig
Sikanen, Eerik (2014)
Diplomityö
2014
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2014092244839
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2014092244839
Tiivistelmä
Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista
suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi
monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on
esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus
suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu
osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien
ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty.
Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB)
koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska
se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille
ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen
roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien
ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden
hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu.
Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa
suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty
ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten
osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin
sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on
dokumentoitu. In this master’s thesis, the mechanical design and analysis of a modular active magnetic
bearing (AMB) test rig is investigated. First the theory of high speed rotor design is
presented. Also a number of analytical methods for analyzing mechanical stresses of
high speed rotor is presented. Due to the nature of high speed machinery, introduction
to rotordynamics and analyzing methods is presented. The structure and functionality of
AMBs used in this study are introduced. In addition, a literature review of test rigs, used
in various applications, such as component identification and rotor dynamics studies, is
presented.
The thesis scope was chosen to provide a concept design of a reconfigurable test rig, the
design and modelling of a rotor of a high-speed induction motor and a documentation
of the design process, with the main focus being on the rotor design. The need
of reconfigurable modular design comes from the possibility of changing the system
configuration, in order to test and perform the identification of different AMBs, motor
and rotor designs. Structures of modular actuator designs for AMBs and electric machine
are presented and the benefits of having a modular structure are discussed.
Both analytical and finite element methods are presented and used for analyzing
the designed high speed rotor. The results are presented and compared for finding
differences between various modeling methods. Finally, the complexity and requirements
of mounting the electromagnetic components to the rotor and actuator modules for
optimizing both the mechanical and the electromagnetic performance are discussed.
suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi
monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on
esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus
suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu
osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien
ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty.
Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB)
koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska
se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille
ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen
roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien
ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden
hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu.
Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa
suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty
ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten
osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin
sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on
dokumentoitu.
bearing (AMB) test rig is investigated. First the theory of high speed rotor design is
presented. Also a number of analytical methods for analyzing mechanical stresses of
high speed rotor is presented. Due to the nature of high speed machinery, introduction
to rotordynamics and analyzing methods is presented. The structure and functionality of
AMBs used in this study are introduced. In addition, a literature review of test rigs, used
in various applications, such as component identification and rotor dynamics studies, is
presented.
The thesis scope was chosen to provide a concept design of a reconfigurable test rig, the
design and modelling of a rotor of a high-speed induction motor and a documentation
of the design process, with the main focus being on the rotor design. The need
of reconfigurable modular design comes from the possibility of changing the system
configuration, in order to test and perform the identification of different AMBs, motor
and rotor designs. Structures of modular actuator designs for AMBs and electric machine
are presented and the benefits of having a modular structure are discussed.
Both analytical and finite element methods are presented and used for analyzing
the designed high speed rotor. The results are presented and compared for finding
differences between various modeling methods. Finally, the complexity and requirements
of mounting the electromagnetic components to the rotor and actuator modules for
optimizing both the mechanical and the electromagnetic performance are discussed.