Efficient Methods for the Study of Eddy-Currents Effects in Medium-Voltage Rotating Electrical Machines

The efficient computation of eddy-current effects in medium voltage electric machines is discussed in this dissertation. Two particular cases are considered. Firstly, the effects of shaft eddy-currents on two-pole induction motor performance is addressed, with special focus on the power factor. In the second part of the thesis the start-up calculation of a large synchronous motor with solid rotor is analyzed. For each application a special calculation procedure is introduced. These procedures adopt a set of suitable finite-element models to properly compute the machine equivalent circuit parameters that are mainly influenced by eddy-current-related phenomena. By suitably choosing finite-element models boundary conditions and excitations their geometry is simplified to the maximum possible extent, in order to reduce the computational burden. The results of the new calculation methods are compared with experimental data and with analogous results obtained from commonly-adopted calculation procedures. The comparison proves that the proposed approaches can lead to high accuracy levels with very remarkable computational savings.

Lo scopo di questa tesi è presentare alcuni metodi efficienti (dal punto di vista computazionale) per il calcolo degli effetti dovuti alle correnti parassite (eddy currents) in macchine elettriche rotanti in media tensione. Due applicazioni in particolare sono state considerate nel dettaglio. Inizialmente viene analizzato il fenomeno delle correnti parassite indotte nell'albero di motori asincroni a due poli e il conseguente effetto sulle prestazioni della macchina, focalizzandosi in particolare sul fattore di potenza. La seconda parte della tesi concentra la sua attenzione sullo studio dell'avviamento da rete di motori sincroni con rotore massiccio. Per ciascuna applicazione vengono introdotte alcune procedure di calcolo, facenti uso di opportuni modelli numerici basati sul metodo degli elementi finiti, per mezzo delle quali vengono adeguatamente calcolati i parametri dei circuiti equivalenti di macchina, tenendo conto degli effetti legati alle correnti parassite. I modelli numerici sono opportunamente definiti, in modo tale da ridurre al massimo la complessità delle geometrie e il conseguente onere computazionale. I risultati delle procedure innovative qui proposte sono confrontati con i dati provenienti da prove sperimentali sulle macchine oggetto di studio e con analoghi risultati di calcolo dedotti tramite le procedure comunemente utilizzate. Il confronto fra questi dati ha dimostrato che gli approcci di calcolo introdotti in questa tesi permettono di ottenere risultati con un elevato livello di accuratezza e una netta riduzione dell'onere computazionale.