Modeling and Testing of Insulation Degradation due to Dynamic Thermal Liading of Electrical Machines
Skribent (gästinlägg)
2017-02-27
Idag får ni Tommys sammanfattning av Zhe Huangs avhandling om elmaskiner och termisk stress.
Ett tips inom elmaskinsområdet är en utlysning av en doktorandtjänst inom modulära elmaskiner för el- och elhybridfordon med placering vid KTH.
Modeling and Testing of Insulation Degradation due to Dynamic Thermal Liading of Electrical Machines
skrivet av Tommy Fransson (RISE Viktoria)
Den 10:e Februari försvarade Zhe Huang sin avhandling som inriktades på modellering och test av elmaskiners åldrande på grund av termisk stress [1]. Handledare har varit professor Mats Alaküla tillsammans med lektor Avo Reinap, och projektledare under avhandlingen har varit Azra Selimovic från Volvo AB, ATR.
Eldrift blir bara mer och mer populärt inom fordonsbranschen, där en av huvudkomponenterna är elmaskinen som används för framdrift. Det finns flera typer av motorer som används inom fordonsvärlden [2]. Vanligast är synkrona motorer med permanentmagnet i rotorn (PMSM), men även till viss del asynkronmotorer och switchade reluktansmotorer (SRM). PMSM motorerna är de mest vanliga motorerna för framdrift med fördelar som storlek, vikt och verkningsgrad. Asynkronmotorer använda av t.ex. Tesla och General Motors EV-1 har andra fördelar i form av minskad användning av ovanliga jordartsmetaller samt att man kan överlasta motorerna utan risk för avmagnetisering.
Alla elmaskiner består av två delar som kallas stator och rotor. Statorn sitter fast monterad relativt fordonet och rotorn är den del av motorn som roterar. Vidare innehåller alla motorer ett antal spolar som genererar det magnetiska fält som driver motorn – så kallade lindningar. För att lindningarna skall fungera måste dess kablar isoleras mellan varven, mellan de olika lindningarna, samt mellan lindningarna och övriga metalldelar. Förutom ren elektrisk isolation hjälper isolationen även till med mekanisk hållfasthet hos lindningarna, förhindrar damm- och fuktinträngning och förbättrar den termiska konduktiviteten. Över tid åldras isolationen vilket kan leda till att elmaskinenen försämras och slutligen inte fungerar längre.
Tidigare studier har visat att ökad arbetstemperatur drastiskt kan minska livslängden. För bedömning av åldrande använder man ofta ett samband som kallas Arrhenius ekvation. [3] Sambandet upptäcktes i slutet av 1800-talet av den svenske fysikern och kemisten Svante Arrhenius [4], och beskriver sambandet mellan en kemisk reaktions hastighet och vid vilket temperatur den sker.
Dessa tidigare studier har främst fokuserat på åldrande på grund av en förhöjd statisk temperatur hos lindningen i eller utan kontakt med syre. När man testar motorlindningar använder man accelererade tester som bygger på att man värmer upp lindningen till höga temperaturer. Dessa tester leder till att man kan förutsäga hur lindningarna åldras, men det är svårt att säga hur lång tid i verkligheten den här uppsnabbade föråldringen motsvarar.
Under normal drift i ett fordon kommer temperaturen hos motorlindningarna variera över tid. Temperaturvariationerna inför ytterligare en termisk mekanisk stress som påverkar livslängden negativt. Zhe introducerade därför en teoretisk modell för åldrande på grund av elastisk deformation utöver det termiska åldrandet. Det här fenomenet kallas termisk stress och kan beskrivas av så kallade S-N kurvor[5][6]. Eftersom lindningarnas temperatur beror på användandet av motorn behöver man därför veta hur motorn kommer användas för att kunna estimera livslängden.
För att verifiera hur den här termiska cyklingen påverkar livslängden byggde Zhe mindre delar av statorn där temperaturen kunde kontrolleras. Delarna försökte göras så lika innandömet av en motor som möjligt, vilket innebär att de förutom själva spolen också innehöll en kopia av metallhöljet på motorn samt och kylning.
Det finns en mängd olika isolationsmaterial att välja på vid konstruktion av elmotorer[7]. Olika isolationsmaterial leder bort värme olika bra och leder därför till att lindningarna får olika temperatur vilket påverkar livslängden. Men även en stor skillnad mellan de termiska koefficienterna hos lindning och isolationsmaterial ger upphov till ökat mekaniskt slitage, så Zhe föreslår att man inte endast ska välja ett isolationsmaterial med hög termisk ledningsförmåga utan även bör ta hänsyn till att matcha den termiska expansionen mellan lindning och isolationsmaterial.
Resultaten applicerades sedan på en elmaskinsdriven hjullastare från Volvo Construction Equipment, där man uppskattade livslängden på motorer med lindningar isolerade med olika isolationsmaterial. Resultatet som presenterades under disputationen tyder på att om man endast uppskattar livslängden med hjälp av Arrhenius ekvation riskerar man att överskatta livslängden med en eller flera tiopotenser. Zhe rekommenderar därför att man även tar hänsyn till den termisk-mekaniska stressen vid val av isolationsmaterial.
Zhe kunde även visa att den parasitiska kapacitansen mellan olika lindningar samt mellan lindning och jord minskar medan isolationsmaterialet åldras. Kapacitansen minskar med 4-6% respektive 11-14% innan lindningen kan antas vara sönder, och ett intressant fortsatt arbete skulle kunna vara att försöka använda det här sambandet för diagnostisering av åldrandet i fordon.
Kommentar
Även om elmaskiner använts flitigt inom industrin under flera hundra år är deras användning för framdrift inom fordonsbranschen ett ganska nytt fenomen. Eftersom man hela tiden vill spara vikt, storlek och kostnad finns det en risk att man med tiden minskar marginalerna så att livslängden blir för kort. Inte bara batterierna hos elbilar riskerar alltså att drabbas av barnsjukdomar.
Avslutningsvis vill jag gratulera Zhe till hennes utmärkta försvar av sin examen!
Referenser
[1] Zhe Huang. Modeling and Testing of Insulation Degradation due to Dynamic Thermal Liading of Electrical Machines. Avhandling (fulltext) länk (pdf)
[2] Electric Machine wiki
[3] Arrhenius ekvation wiki
[4] Arrhenius ekvation och annan fysikalisk kemi wiki
[5] Thermal Expansion and Thermal Stresses länk
[6] Stress-cycle (S-N) curve wiki
[7] Insulation system wiki
Den 10:e Februari försvarade Zhe Huang sin avhandling som inriktades på modellering och test av elmaskiners åldrande på grund av termisk stress [1]. Handledare har varit professor Mats Alaküla tillsammans med lektor Avo Reinap, och projektledare under avhandlingen har varit Azra Selimovic från Volvo AB, ATR.
Eldrift blir bara mer och mer populärt inom fordonsbranschen, där en av huvudkomponenterna är elmaskinen som används för framdrift. Det finns flera typer av motorer som används inom fordonsvärlden [2]. Vanligast är synkrona motorer med permanentmagnet i rotorn (PMSM), men även till viss del asynkronmotorer och switchade reluktansmotorer (SRM). PMSM motorerna är de mest vanliga motorerna för framdrift med fördelar som storlek, vikt och verkningsgrad. Asynkronmotorer använda av t.ex. Tesla och General Motors EV-1 har andra fördelar i form av minskad användning av ovanliga jordartsmetaller samt att man kan överlasta motorerna utan risk för avmagnetisering.
Alla elmaskiner består av två delar som kallas stator och rotor. Statorn sitter fast monterad relativt fordonet och rotorn är den del av motorn som roterar. Vidare innehåller alla motorer ett antal spolar som genererar det magnetiska fält som driver motorn – så kallade lindningar. För att lindningarna skall fungera måste dess kablar isoleras mellan varven, mellan de olika lindningarna, samt mellan lindningarna och övriga metalldelar. Förutom ren elektrisk isolation hjälper isolationen även till med mekanisk hållfasthet hos lindningarna, förhindrar damm- och fuktinträngning och förbättrar den termiska konduktiviteten. Över tid åldras isolationen vilket kan leda till att elmaskinenen försämras och slutligen inte fungerar längre.
Tidigare studier har visat att ökad arbetstemperatur drastiskt kan minska livslängden. För bedömning av åldrande använder man ofta ett samband som kallas Arrhenius ekvation. [3] Sambandet upptäcktes i slutet av 1800-talet av den svenske fysikern och kemisten Svante Arrhenius [4], och beskriver sambandet mellan en kemisk reaktions hastighet och vid vilket temperatur den sker.
Dessa tidigare studier har främst fokuserat på åldrande på grund av en förhöjd statisk temperatur hos lindningen i eller utan kontakt med syre. När man testar motorlindningar använder man accelererade tester som bygger på att man värmer upp lindningen till höga temperaturer. Dessa tester leder till att man kan förutsäga hur lindningarna åldras, men det är svårt att säga hur lång tid i verkligheten den här uppsnabbade föråldringen motsvarar.
Under normal drift i ett fordon kommer temperaturen hos motorlindningarna variera över tid. Temperaturvariationerna inför ytterligare en termisk mekanisk stress som påverkar livslängden negativt. Zhe introducerade därför en teoretisk modell för åldrande på grund av elastisk deformation utöver det termiska åldrandet. Det här fenomenet kallas termisk stress och kan beskrivas av så kallade S-N kurvor[5][6]. Eftersom lindningarnas temperatur beror på användandet av motorn behöver man därför veta hur motorn kommer användas för att kunna estimera livslängden.
För att verifiera hur den här termiska cyklingen påverkar livslängden byggde Zhe mindre delar av statorn där temperaturen kunde kontrolleras. Delarna försökte göras så lika innandömet av en motor som möjligt, vilket innebär att de förutom själva spolen också innehöll en kopia av metallhöljet på motorn samt och kylning.
Det finns en mängd olika isolationsmaterial att välja på vid konstruktion av elmotorer[7]. Olika isolationsmaterial leder bort värme olika bra och leder därför till att lindningarna får olika temperatur vilket påverkar livslängden. Men även en stor skillnad mellan de termiska koefficienterna hos lindning och isolationsmaterial ger upphov till ökat mekaniskt slitage, så Zhe föreslår att man inte endast ska välja ett isolationsmaterial med hög termisk ledningsförmåga utan även bör ta hänsyn till att matcha den termiska expansionen mellan lindning och isolationsmaterial.
Resultaten applicerades sedan på en elmaskinsdriven hjullastare från Volvo Construction Equipment, där man uppskattade livslängden på motorer med lindningar isolerade med olika isolationsmaterial. Resultatet som presenterades under disputationen tyder på att om man endast uppskattar livslängden med hjälp av Arrhenius ekvation riskerar man att överskatta livslängden med en eller flera tiopotenser. Zhe rekommenderar därför att man även tar hänsyn till den termisk-mekaniska stressen vid val av isolationsmaterial.
Zhe kunde även visa att den parasitiska kapacitansen mellan olika lindningar samt mellan lindning och jord minskar medan isolationsmaterialet åldras. Kapacitansen minskar med 4-6% respektive 11-14% innan lindningen kan antas vara sönder, och ett intressant fortsatt arbete skulle kunna vara att försöka använda det här sambandet för diagnostisering av åldrandet i fordon.
Kommentar
Även om elmaskiner använts flitigt inom industrin under flera hundra år är deras användning för framdrift inom fordonsbranschen ett ganska nytt fenomen. Eftersom man hela tiden vill spara vikt, storlek och kostnad finns det en risk att man med tiden minskar marginalerna så att livslängden blir för kort. Inte bara batterierna hos elbilar riskerar alltså att drabbas av barnsjukdomar.
Avslutningsvis vill jag gratulera Zhe till hennes utmärkta försvar av sin examen!
Referenser
[1] Zhe Huang. Modeling and Testing of Insulation Degradation due to Dynamic Thermal Liading of Electrical Machines. Avhandling (fulltext) länk (pdf)
[2] Electric Machine wiki
[3] Arrhenius ekvation wiki
[4] Arrhenius ekvation och annan fysikalisk kemi wiki
[5] Thermal Expansion and Thermal Stresses länk
[6] Stress-cycle (S-N) curve wiki
[7] Insulation system wiki