Analiza strat wiroprądowych w transformatorze impulsowym metodą elementów skończonych

In the paper an algorithm for power loss determination in pulse transformers using a field-circuit model is described. The software based on the algorithm is used to calculate eddy current losses and determine efficiency of a pulse transformer. Eddy current power losses and efficiency of a pulse transformer for different load resistances, input signal shapes and lengths of the central leg of the core are analysed. Selected results of simulations are shown.Wiroprądowe straty mocy ΔP w transformatorze impulsowym można wyznaczyć na podstawie czasowego przebiegu oraz przestrzennego rozkładu wektora gęstości prądu z zależności (1). Obliczanie tych strat jest jednak zagadnieniem trudnym, ponieważ w ogólnym przypadku przy wymuszeniu napięciowym w układach zawierających elementy nieliniowe nie jest znany a priori przebieg i rozkład gęstość prądu w uzwojeniach i prądów wirowych w rdzeniu. W celu wyznaczenia tych prądów posłużono się modelem polowo-obwodowym transformatora impulsowego. Model ten obejmuje równania pola elektromagnetycznego (3) i równania opisujące rozpływ prądów w obwodach elektrycznych (2). Ze względu na nieliniowość, szybką zmienność pola w czasie oraz złożoną strukturę równań tych nie można rozwiązać analitycznie. W tym celu wykorzystuje metodę elementów skończonych, polegającą na dyskretyzacji przestrzeni i czasu. W wyniku uzyskuje się układ nieliniowych równań algebraicznych (4). Do rozwiązania tego układu równań wykorzystuje się iteracyjną metodę Newtona-Raphsona. Na podstawie obliczonych rozkładów gęstości prądów z zależności (1) wyznacza się wiroprądowe straty mocy w rdzeniu i straty mocy w uzwojeniach. Na podstawie przedstawionego algorytmu opracowano program do wyznaczania wiroprądowych strat mocy i sprawności w transformatorze impulsowym. Rozpatrzono transformator o mocy 240 W z rdzeniem ETD 44 wykonanym z ferrytu N 67 o strukturze przedstawionej na rys. 1. W rozważaniach uwzględniono nieliniowe właściwości materiałów magnetycznych oraz prądy wirowe indukujące się w rdzeniu i uzwojeniach. Transformator obciążono rezystancją Ro. Dla Ro = Rn uzyskano znamionowy prąd obciążenia. Ze względu na szeroki zakres zmian względnej rezystancji obciążenia r = Ro/Rn na zamieszczonych w artykule wykresach posłużono się skalą logarytmiczną. Badano wpływ zmian względnej rezystancji obciążenia r i kształtu sygnału zasilającego na względne straty mocy w uzwojeniach pu = ΔPu /ΔPun (rys. 2) i w rdzeniu pr = ΔPr /ΔPrn (rys. 3) oraz sprawność η transformatora (rys. 6). Przy obliczaniu sprawności uwzględniono straty histerezowe wyznaczone w sposób przybliżony na podstawie danych katalogowych. Sprawność tą porównano w pewnym zakresie obciążeń ze sprawności transformatora pracującego w zasilaczu impulsowym (rys. 4). Opracowane oprogramowanie umożliwia analizę wiroprądowych strat mocy w uzwojeniach i rdzeniu transformatorów impulsowych. Zatem może być przydatne w projektowaniu i optymalizacji rozpatrywanych transformatorów

Analysis of operating modes of line start synchronous hybrid motor

W artykule rozpatrzono silnik synchroniczny z magnesami łukowymi umieszczonymi w wirniku i obwodem magnetycznym wykonanym z materiału proszkowego Somaloy 500. Model symulacyjny silnika utworzono w środowisku Maxwell v. 13. W celu zapewnienia rozruchu własnego w wirniku umieszczono pręty klatki rozruchowej. W opracowanym modelu dokonano parametryzacji geometrii zarówno prętów klatki, jaki i magnesów trwałych. Przedstawiono wybrane wyniki obliczeń symulacyjnych. Przeprowadzono wstępną optymalizację kształtu magnesów i prętów w wirniku. Szczególną uwagę zwrócono na te wymiary magnesu, które mają największy wpływ na parametry funkcjonalne rozpatrywanego silnika.The article deal with analysis of the line start synchronous motor with the arc magnets placed inside the rotor and the magnetic circuit made of a material powder Somaloy 500. The field-circuit model of the considered motor has been elaborated in the Maxwell v. 13 environment. In order obtain line start abilities in the rotor the squirrel-cage was placed. To perform analysis in the elaborated model the geometries of the squirrel-cage bars and magnets have been parameterized. The selected simulation results of starting up and steady state operation have been presented. A preliminary optimization of magnets and bars shape has been carried out. Particular attention was paid to the dimensions of the magnet, which have the greatest impact on functional parameters of the motor in the steady state operation

Analysis of operation of cooling-heating systems with Peltier module

W artykule przedstawiono opracowany układ chłodząco-grzewczy z ogniwem Peltiera, w których strona gorąca ogniwa była chłodzona na dwa sposoby: przy pomocy bloku wodnego i przy wykorzystaniu radiatora z wentylatorem. Opracowano modele cieplne układu i wdrożono do obliczeń oprogramowanie do wyznaczania parametrów modułów Peltiera oraz wartości temperatur w wybranych punktach układu. Porównano otrzymane wyniki obliczeń z rezultatami badań eksperymentalnych uzyskanych na zbudowanym stanowisku pomiarowym. Na tej podstawie sformułowano wnioski i przedstawiono propozycje rozwiązań poprawiających właściwości funkcjonalne badanego układu.The paper presents a developed cooling and heating system with a Peltier module. The heat side of the Peltier module was cooled in two ways: by means of a water block and by using a radiator with a fan. Algorithm and software for analysis of the cooling-heating system with the Peltier module were developed. The software were used to calculate parameters of the Peltier module, efficiency and temperature values at selected points of the system. The obtained results of calculations were compared with the results of experimental tests obtained on the built measuring stand. On this basis, the conclusions were formulated and the proposals for solutions improving the functional properties of the tested system were presented

Analysis of Operation of Fan’s Cooling System with Peltier Module

W artykule przedstawiono opracowany układ chłodzenia z ogniwem Peltiera. Opisano budowę i zasadę działania modułu Peltiera z uwzględnieniem najistotniejszych zjawisk. Przedstawiono zbudowany prototypowy układ chłodzenia, w którym oddawanie i pobieranie ciepła z modułu jest wymuszone przez wentylatory. Zaprezentowano wybrane wyniki badań eksperymentalnych.The paper presents the developed cooling system with the Peltier module. The structure and the operation principle of the Peltier module have been described. In the description of the module the most important phenomena have been taken into account. A prototype of the cooling system has been built. In the considered system, the emission and absorption of heat from the module surfaces are forced by the fans. Selected results of experimental research were presented

Compared analysis of the transients and the steady states of squirrel-cage motor and LSPMSM

In the paper the transients under starting process and the steady states of squirrel-cage motor (IM) and line start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM) have been compared. The original stator of 3 kW induction motor type Sg 100L-4B, was used in both structures. In order to determine opportunities to increase energy parameters of LSPMSM the heating curves of both motors were compared. In LSPMSM the rotor with aluminum and copper cage was used. The basic operating parameters of the two structures which are characterized by identical stators were tested. Particular attention has been given to the transient under starting process. Efficiency, power factor and current in the stator windings obtained during measurements for both structures have been presented. The paper focuses on achieving a much higher output power for LSPMSM than an induction motor of the same size. The selected results of experimental tests were shown

Field model of air -core transformer with spiral windings in wireless resonant energy link

W artykule przedstawiono polowy model transformatora powietrznego pracującego w układzie bezprzewodowego przesyłu energii. Zaprezentowano algorytm rozwiązywania równań modelu metodą elementów skończonych (MES). Na podstawie zaprezentowanego algorytmu opracowano program do wyznaczania nieustalonego pola magnetycznego. Przedstawiono wybrane wyniki symulacji.In the paper the field model of air-core transformer operating in a wireless resonant energy link has been presented and discussed. The proposed algorithm for solving the model equations using finite element method has been given. On the basis of the proposed algorithm the in-house software has been developed for determining the transient magnetic field. The selected results have been presented

Analysis of influence of magnetic barriers on armature reaction in 6-pole ipm synchronous motor with tangential magnets

W artykule przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych: rozkładów pola magnetycznego w rdzeniu, indukcji w szczelinie powietrznej, przebiegów siły elektromotorycznej, momentu zaczepowego, charakterystyk momentowo-kątowych oraz współczynnika tętnień momentu dla kilku wybranych wariantów bariery magnetycznej występującej w wirniku 6-biegunowego silnika synchronicznego między szczeliną powietrzną a magnesem. Na podstawie analizy tych wyników wytypowano strukturę najlepiej ograniczającą skutki zamykania się linii strumienia magnetycznego w niepożądany sposób poprzez obwód magnetyczny. Niewątpliwym osiągnięciem zrealizowanych badań jest optymalizacja bariery magnetycznej pomiędzy magnesem a szczeliną powietrzną wykonanej w celu ograniczenia skutków oddziaływania prądu twornika na deformację rozkładu pola magnetycznego w szczelinie, przy zachowaniu możliwie najlepszych parametrów funkcjonalnych rozpatrywanego silnika.The paper deals with the analysis of the radial placement and shape of magnetic barriers in rotor of the 6 pole interior permanent magnet (IPM) synchronous motor. Studies are focused on the comparative analysis of the magnetic field distribution and several functional parameters of the motors with different geometries of the magnetic barriers in the rotor. Among others the back emf waveforms, torque vs. power angle and current characteristics, cogging torque and space distribution of radial component of the magnetic flux density in the air-gap of the machines are studied. Selected results of simulations have been presented and discussed. On the basis of performed analysis the structure of the rotor that minimizes the armature reaction while keeping the performance factors has been pointed out for studied case problem

Circuit-field optimization of pulse transformer

W artykule zaprezentowano nową strategię projektowania transformatora impulsowego polegającą na jego dwuetapowej optymalizacji. W pierwszym etapie obliczeń przeprowadzono optymalizację parametrów strukturalnych obwodu magnetycznego transformatora na podstawie modelu obwodowego zjawisk przy narzuconych wymaganiach funkcjonalnych. Optymalizację parametrów urządzenia przeprowadzono przy użyciu algorytmu genetycznego. Ograniczenia uwzględniono poprzez dodanie do funkcji celu składnika reprezentującego karę za ich przekroczenie. Parametry zaprojektowanego w ten sposób transformatora spełniającego zadane przy projektowaniu wymagania, należy wykorzystać jako dane początkowe do optymalizacji konstrukcji w ujęciu polowym. Przedstawiono i omówiono wybrane wyniki obliczeń symulacyjnych i optymalizacyjnych.The paper presents the new design strategy of pulse transformer consisting of his two-stage optimization. In the first stage, the optimization process is based on less accurate circuit model of phenomena on functional requirements formulated. The genetic algorithm has been applied for optimization. In order to include to constrains, the penalty function has been adopted. The transformer parameters designed in such method may be used as initial data in second stage of design process. In the second stage the field model has been employed. The selected results have been presented and discussed

Compared analysis of the transients under starting process and the steady states of squirrel-cage motor and LSPMSM

W artykule porównano pracę w stanie ustalonym i podczas rozruchu dwóch silników: synchronicznego magnetoelektrycznego o rozruchu bezpośrednim (LSPMSM) oraz indukcyjnego klatkowego (IM). W obu konstrukcjach wykorzystano stojan silnika indukcyjnego typu Sg 100L-4B o mocy 3 kW. W silniku synchronicznym zastosowano klatkę rozruchową wykonaną z aluminium i z miedzi. Zbadano proces rozruchu tych maszyn. W celu określenia możliwości polepszenia parametrów użytkowych silnika o magnesach trwałych porównano krzywe nagrzewania silników. Dla obu konstrukcji zestawiono wyznaczone na podstawie pomiarów wartości: sprawności, współczynnika mocy i prądów silnika. Zbadano możliwość uzyskania znacznie większej mocy użytecznej silnika magnetoelektrycznego w stosunku do silnika indukcyjnego mającego te same gabaryty.In the paper the transients under starting process and the steady states of line start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM) and squirrel-cage motor have been. The stator of 3kW induction motor, Sg 100L-4B, was used in both structures. In order to determine opportunities to increase engine performance parameters of LSPMSM the heating curves of both motors were compared. In LSPMSM the rotor with aluminum and copper cage was used. The basic operating parameters of the two structures which are characterized by identical stators was compared. Particular attention has been given to the transient under starting process. Efficiency, power factor and current in the stator windings obtained during measurements for both structures have been presented. Particular attention was paid to the possibility to obtain much greater output power for LSPMSM than for induction motor of the same size. The selected results of experimental tests was shown

Analysis of saturation of the air gap zone in an internal permanent magnet synchronous motor (IPMSM) with “V” shape arranged magnets

W artykule przedstawiono opracowany w środowisku Maxwell model polowy silnika synchronicznego z magnesami w kształcie litery „V”. Wykonano obliczenia symulacyjne dla wariantów tej struktury silnika zmieniając wymiary wycięcia ograniczającego strumień rozproszenia magnesów (bariery magnetycznej) wpływającego na nasycenie strefy przyszczelinowej. Na podstawie analizy rozkładów pola magnetycznego i wyznaczonych parametrów funkcjonalnych wytypowano strukturę najlepiej ograniczającą skutki bocznikowania magnesów. Niewątpliwym osiągnięciem zrealizowanych badań jest optymalizacja bariery magnetycznej w celu zapewnienia najmniejszego strumienia rozproszenia magnesów w strefie przyszczelinowej, przy zachowaniu możliwie najlepszych parametrów funkcjionalnych rozpatrywanego silnika.In the paper the model of an internal permanent magnet synchronous motor with magnets arranged in “V” shape is presented. The model was developed using professional FEM package Maxwell v.15. The field simulations of motor operation under different conditions were performed. The influence of several rotor air-gap zone dimensions was studied. The most crucial is the magnetic bridge size between poles. The special attention was paid to the impact of the magnetic bridge saturation effects on the magnetic flux path (see magnetic field distributions in Figs. 2,7), the back emf values (Tab. 1) and torque pulsation values (Tab. 2). Also the effective torque vs. torque angle characteristics were investigated (Fig. 3). On the basis of the performed simulations and analysis, the optimal design of the rotor air-gap zone was proposed. The goal of the optimization process was minimization of the magnetic flux leakage (understood as the flux between poles not crossing the air-gap) with respect to the high values of the analyzed functional parameters of the considered motor. The presented results show that the proper design of the magnetic bridges allows reducing costs of expensive permanent magnets materials