Iron Losses in Segments used in Large Electrical Machines

El conocimiento y estimación de las pérdidas que se producen en las máquinas eléctricas es clave en el rendimiento esperado.
El estator las máquinas eléctricas de gran tamaño está segmentado para facilitar y abaratar su fabricación y transporte, pero esta segmentación también afecta al rendimiento magnético y, por tanto, a las pérdidas en el núcleo de hierro.
Un segmento es una división unitaria del estator del generador, el cual está formado por algunas de las bobinas y una parte del núcleo de hierro.
Este trabajo de fin de máster tiene como objetivo comprender cómo son las pérdidas que ocurren en el hierro del estator (pérdidas por corrientes de Foucault o Eddy currents y pérdidas por histéresis), concretamente, en dichos segmentos del estator.
Inicialmente se revisan tres aspectos principales de las pérdidas de hierro: qué son, cómo se calculan y cómo se miden.
En segundo lugar, se propone una configuración (setup) para medir las pérdidas en el hierro en un segmento detenido (sin movimiento): una placa laminada colocada sobre el segmento con un entrehierro determinado.
Para magnetizar esta configuración en muchas situaciones diferentes, se introducirían corrientes en los devanados del segmento con diferentes amplitudes y frecuencias.
Para obtener los valores esperados de este ensayo y dada la no linealidad del problema, se utiliza la técnica de los elementos finitos (FE).
De esta forma, se construye y simula un modelo a escala en COMSOL Multiphysics® y se procesa con MATLAB®, lo que permite analizar la distribución de la densidad de flujo magnético (B) de dicha geometría y su relación con las pérdidas en el hierro: pérdidas por corrientes de Foucault (o eddy currents) y pérdidas por histéresis.
Finalmente, los resultados del modelo en elementos finitos se adaptan para representar los valores esperados del futuro ensayo y se establece el procedimiento de medición.

Accurate estimation and knowledge of the losses occurring in electrical machines is key to determining the expected performance, which, in the case of large electrical machines is more relevant given their size.
The stator of these large electrical machines usually is segmented for easier and cheaper manufacturing and transport, among other advantages, but this segmentation also affects the magnetic performance and, therefore, the core losses.
A segment is a unitary division of the generator stator and is formed by some of the coils and a portion of the core.
This thesis aims to understand how losses happening in the stator core are, more precisely, in the stator core segments.

Initially, three main aspects of iron losses are reviewed: what they are, how they are calculated and how they are measured.
Secondly, a setup to measure iron losses in a standstill segment is proposed: a laminated plate on top of it with a specific airgap.
To magnetize this setup in many different situations, currents would be input to the segment windings with different amplitudes and frequencies.
To obtain the expected values of this test and, given the non-linearity of the problem, the finite elements (FE) technique is used.
In this way, a scaled model is built and simulated in COMSOL Multiphysics® and post-process with MATLAB®, allowing to analyze the magnetic flux density (B) distribution of the setup and its relation to core loss for the loss separation model (eddy currents loss and hysteresis loss).
Finally, the FE model output is adapted to represent the expected values of the future test, and the measurement procedure is stated.