Energy Efficiency in Motor Systems
Proceedings of the 11th international Conference EEMODS’19
- 2021
- Buch
- Herausgegeben von
- Dr. Paolo Bertoldi
- Buchreihe
- Springer Proceedings in Energy
- Verlag
- Springer International Publishing
Über dieses Buch
Dieses Buch enthält ausgewählte, von Experten begutachtete Beiträge, die auf der 11. Internationalen Konferenz über Energieeffizienz in Motorsystemen (EEMODS '19) präsentiert wurden, die vom 17. bis 19. September 2019 in Tokio, Japan, stattfindet. Wie bei früheren Konferenzen dieser Reihe bot EEMODS '19 ein wissenschaftliches Forum, um die jüngsten Entwicklungen und Auswirkungen elektrischer Motorsysteme auf Energie und Umwelt, verabschiedete und geplante Energieeffizienzstrategien und -programme, Normen (einschließlich ISO 50.001) sowie die technischen und kommerziellen Fortschritte bei der Verbreitung und Durchdringung energieeffizienter Motorsysteme zu diskutieren und zu diskutieren. Zu den behandelten Themen gehören: Technologien, Forschung und Innovation in den Bereichen Elektromotoren von der Lebenszyklusrechnung über 3D-Druck bis hin zu künstlichen Intelligenz / lernbasierten Überwachungssystemen; neu entstehende Motortechnologien; Leistungselektronik und Antriebe; Pumpensysteme, einschließlich Lebenszykluskosten, Verbesserungen der Energieeffizienz, Wartung und Betrieb für Industrie, Wasserversorgung und -aufbereitung, Gebäude und Bewässerung; Druckluftsysteme; Ventilatoren / Abgassysteme; Wartung und Betrieb von Kühlsystemen; mechanische Energieübertragung; Motoren in Haushaltsgeräten und Klimaanlagen (private und gewerbliche); Motoren und Antriebe für Verkehrsanwendungen, einschließlich Richtlinien, Programme, Regulierung und internationaler Normen; Politik und Normen für das industrielle Management; Motorenaudit und -überprüfung; Politik, Programme und Finanzierung: Analyse Die Konferenz ist von Natur aus international und zielt darauf ab, qualitativ hochwertige und innovative Beiträge aus allen Teilen der Welt anzuziehen, während die Beiträge die Entwicklung neuer Technologien, Strategien und Strategien zur Steigerung der Energieeffizienz erleichtern.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
This book contains selected, peer-reviewed papers presented at the 11th International Conference on Energy Efficiency in Motor Systems (EEMODS'19), held in Tokyo, Japan from 17-19 September 2019. As with previous conferences in this series, EEMODS’19 provided a scientific forum to discuss and debate the latest developments and impacts of electrical motor systems on energy and the environment, energy efficiency policies and programmes adopted and planned, standards (including ISO 50.001), and the technical and commercial advances made in the dissemination and penetration of energy-efficient motor systems. Topics covered include: technologies, research and innovation in the areas of electric motors from life cycle costing to 3D printing to artificial intelligence/machine learning-based monitoring systems; emerging motor technologies; power electronics and drives; pump systems, including life cycle costing, energy efficiency improvements, maintenance, and operation for industrial, water supply and treatment, building, and irrigation; compressed air systems; fans /exhaust systems; refrigeration systems maintenance and operation; mechanical power transmission; motors in household appliances and HVAC (residential and commercial); motors and drives for transport applications including policies, programmes, regulation, and international standards; industrial management policies and standards; motor system audit and verification; policies, programmes and financing: analysis of motor system energy use and greenhouse gas emissions for motor systems, e-vehicles and related charging infrastructure; harmonization of global motor efficiency test standards; evaluation of utility programmes for improving energy efficiency in motor systems; and policy implementation, market surveillance and enforcement mechanisms, including case studies. The conference is international by nature and aims to attract high quality and innovative contributions from all corners of the globe, while the papers facilitate the development of new technologies, policies and strategies to increase energy efficiency.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Novel Design of Delta-Connected PM Synchronous Machines Considering Rotor Skewing
Juergen Redlich, Anton Suchan, Bernd PonickDas Kapitel stellt einen umfassenden Konstruktionsansatz für Delta-vernetzte Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PSM) in Traktionsanwendungen vor. Sie befasst sich mit den Herausforderungen, die von zirkulierenden Strömen und Oberschwingungen ausgehen, und schlägt innovative Lösungen vor, wie die Optimierung von Magnetabdeckungswinkeln und den Einsatz von Flussbarrieren, um räumliche Oberschwingungen zu reduzieren. Zusätzlich wird in diesem Kapitel eine Berechnungsmethode für schiefe Rotoren eingeführt, die eine effiziente Analyse ohne nennenswerten Rechenaufwand ermöglicht. Die Konstruktionsrichtlinien stellen sicher, dass die Maschinen sowohl für Star- als auch für Delta-Wicklungen geeignet sind und gleichzeitig eine hohe Leistung und Effizienz aufweisen. In diesem Kapitel wird auch die Bedeutung einer gleichmäßigen Sättigung im Statordesign diskutiert, um Umwälzströme zu minimieren und die Gesamtleistung der Maschine zu optimieren.KI-Generiert
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AbstractIn the design process of electrical machines – especially those with challenging performance requirements like traction motors – an individual adaption of the number of turns per phase plays an important role. Choosing a delta-connected winding instead of a Y-connection gives an additional degree of freedom in design. This can be of special importance in case of hairpin windings with their tightly restricted choice of the number of conductors per slot, as it allows to find a better match of flux, rated speed, and given voltage level. Although delta-connected windings are common in low voltage industrial applications, they are still underrepresented in traction applications. This chapter presents the most suitable design options for delta-connected PM synchronous machines and discusses their performance and efficiency in traction applications. Moreover, a new calculation method for a skewed rotor is presented. Instead of FEM calculations of several rotor slices, just one slice needs to be calculated by FEM. The flux density in all other slices is then derived from this result analytically. -
EC-Motors in a Fan Application: A Case Study
Kurt Stockman, Jasper De Viaene, Steve Dereyne, Pieter DefreyneDas Kapitel befasst sich mit der Anwendung elektronisch kommutierter (EC) Motoren in Lüftersystemen, die durch die europäische Ökodesign-Richtlinie 2009 / 125 / EG angetrieben werden. Er diskutiert die Regulierungslandschaft, vergleicht EC-Motoren mit herkömmlichen Induktionsmaschinen und präsentiert Messergebnisse aus einem Laboraufbau. Die Studie zeigt die potenziellen Energieeinsparungen und die Vorteile von EC-Motoren in energiesparenden industriellen Lüfteranwendungen auf und bietet überzeugende Argumente für ihre Einführung in der Industrie.KI-Generiert
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AbstractSince a few years, Electronically Commutated motors (EC-motors) have gained interest in industry and more specifically in industrial fan applications. The EC-motor has become a serious competitor for induction motor speed controlled applications in the lower power ranges (up to several kW). Currently, EC-motors can be driven by standard voltage source frequency converters and come with better efficiency values compared to induction motors in the same power range. In this chapter, first the efficiency of such EC-motors is studied and lab measurements on commercial machines are performed to identify their potential with respect to energy savings. Efficiency/loss maps are presented and compared to those of speed-controlled induction machines. Next, based on this input, a case study on an industrial small fan application is performed. This techno-economic analysis shows the feasibility with respect to energy savings and also addresses the implementation effort and the barriers to convince the more traditional fan industry in order to consider the use of EC-motors in the near future. -
A Global Update on the Markets for Motors, Drives, and Motor-Driven Equipment
Preston ReineDas Kapitel beginnt mit einem Überblick über den globalen Markt für Niederspannungsmotoren und -antriebe und hebt ein Wachstum von 4,1% ab 2017 hervor, das größtenteils durch das Wiederaufleben der Schwerindustrie angetrieben wird. Sie befasst sich mit dem zunehmenden Einsatz von Antrieben mit variabler Frequenz (VFD) in Schlüsselanwendungen wie Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren, die von einem Bewusstsein für Energieeffizienz angetrieben werden. Der Text diskutiert auch die Auswirkungen von Preistendenzen und Rohstoffkosten auf die Automobilmärkte, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen von Zöllen und Arbeitskosten in China liegt. Darüber hinaus wird der Trend zu intelligenter Fertigung und der Integration von IIoT in Motoren, Antriebe und motorbetriebene Geräte untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Systemeffizienz und vorausschauender Wartung liegt. Das Kapitel schließt mit einer Prognose über die Zukunft energieeffizienter Motoren und das Potenzial des IIoT im Markt der industriellen Automatisierung, wobei die Notwendigkeit interner Unterstützung und Fähigkeiten betont wird, um diese Technologien erfolgreich einzusetzen.KI-Generiert
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AbstractThis chapter highlights the findings of the latest analysis by IHS Markit on the global markets for low-voltage (LV) motors, variable frequency drives (VFDs), and motor-driven equipment, such as pumps, fans, and compressors. It will summarize how these markets are segmented by technology, geographic region, industry sector, and other emerging trends. In addition to presenting market data, the presentation will include an analysis of the current competitive environment for these products, including market shares of leading suppliers. A discussion on the impact of recent and impending energy-efficiency regulation initiatives will also be included in this presentation. Specifically, emerging and lesser-used technologies like permanent magnet motors, sensors, and other energy-saving methods will be assessed in order to show how commonplace these promising products are adopted. The main goal of this presentation will be to help the reader understand how much of a disconnect exists between government-led agendas and market-generated demand. Has the Industrial Internet of Things (IIoT) and similar initiatives such as Industry 4.0 become more pressing a topic for end users compared to a more efficient component or even a more efficient motor-driven system? -
Increasing the Energy Savings of Motor Applications: The Extended Product Approach
Benno Weis, Benoit Leprettre, Martial Patra, Norbert Hanigovszki, Preben Holm, Tim Schuman, Michael Könen, Niels Bidstrup, Kirk AndersonDas Kapitel untersucht das beträchtliche Energieeinsparpotenzial in motorischen Anwendungen, die für einen erheblichen Teil des globalen Stromverbrauchs verantwortlich sind. Es unterstreicht die derzeit zu geringe Effizienz von Motorsystemen und führt den erweiterten Produktansatz (EPA) als neuartige Methode zur Optimierung der Energieeffizienz auf Systemebene ein. Die EPA betrachtet die gesamte Anwendung, einschließlich des Motors, des Steuerungssystems und der mechanischen Belastung, als maximale Energieeinsparung. Das Kapitel skizziert die Prinzipien der EPA, einschließlich Terminologie, Methodik zur Bestimmung von Leistungsverlusten und die Berechnung eines Gesamtenergieeffizienzindex. Er diskutiert auch die Vorteile der EPA für verschiedene Interessengruppen und das Potenzial, diesen Ansatz auf nichtelektrische Komponenten auszuweiten. Das Kapitel schließt mit der Vision eines umfassenden Energieeffizienzindex auf Anwendungsebene, der die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen technischen Ausschüssen und Interessengruppen fördert.KI-Generiert
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AbstractMotor applications account for about 45% of the global electricity consumption and represent one of the greatest opportunities for energy savings. The cost of the energy used by a motor represents about 95% of the Total Cost of Ownership leaving the purchase cost at only about 5%. Therefore, optimizing the energy consumed by motor applications is important to minimize both CO2 emissions and operational costs.However, using energy-efficient components does not guarantee the overall efficiency of the application (or Extended Product). The latter depends essentially on the architecture (which components are implemented) and on the operating point(s) of each component.The Extended Product Approach (EPA) developed in the IEC 61800-9 series of standards is a methodology for assessing the energy efficiency of an extended product (i.e., motor system and driven equipment) in the context of an application, considering the actual operating points.The main principle of the EPA is to provide means of determining the power losses of all components at any operating point. The resulting losses of the complete application can be calculated by weighting the losses at each operating point with its operating time. This approach is very generic and can be generalized to the other components of the motor application (transmission, mechanical load, process).This chapter provides a high-level view of the EPA to stakeholders who are not familiar with it. It also describes how the EPA could be applied to other parts of motor applications (power supply, mechanical components) to provide a consistent framework for assessing overall energy efficiency. -
High-Efficiency IE4 Line-Start Synchronous Reluctance Motors
Francesco Parasiliti, Marco VillaniDas Kapitel befasst sich mit dem Design und der Leistung hocheffizienter Line-Start Synchron Reluktanzmotoren (LSSynRMs) und konzentriert sich dabei auf zwei spezifische Bauformen: einen 3 kW-2poligen und einen 4 kW-4poligen Motor. Er befasst sich mit den Herausforderungen, optimales Startverhalten und Gleichgewichtsleistung in diesen Motoren zu erreichen, und hebt den Einsatz moderner Finite-Elemente-Analysetechniken und Optimierungsalgorithmen hervor. Das Kapitel enthält eine detaillierte Analyse der Leistung der Motoren während des Starts und im stationären Betrieb und vergleicht sie mit herkömmlichen Induktionsmotoren. Das Kapitel präsentiert insbesondere experimentelle Ergebnisse eines Prototyps des 4 kW-4-poligen Motors, der seine verbesserte Effizienz und Leistung demonstriert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass LSSynRMs in verschiedenen industriellen Anwendungen eine kostengünstige und effiziente Alternative zu herkömmlichen Motoren sein können.KI-Generiert
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AbstractThe demand for energy saving and the new policies on the efficiency of motors for constant speed applications have shifted the interest of designers from conventional induction motors (IMs) towards alternative high-efficiency motors such as the line-start synchronous reluctance motor (LSSynRM). This type of motor is very cost-effective and can compete with the robustness and the low price of the IM. LSSynRM critical aspects are the rough starting transient, limitations in terms of pull-in (synchronization) capability and low power factor. In this chapter, a specific design procedure for LSSynRMs has been used in order to reach the desired balance between the pull-in capability, starting behaviour, and steady-state performance. It is the combination between finite-element (FE) analyses and optimization algorithms. The procedure is applied to design two LSSynRMs, 3 kW-2 pole and 4 kW-4 pole, 400 V, 50 Hz. The simulation results are compared with those of the IMs of the same size. A prototype of the 4 kW-4pole motor has been realized and tested. Then, its performance is presented in comparison with the IM counterpart. The LSSynRM proved to be a cost-effective, mass production-ready solution for super-premium efficiency IE4 motors, and it can effectively replace the conventional IM in a vast panorama of industrial applications. -
Coordination of IEC and ISO Standards for Energy-Efficient Electric Motor-Driven Systems
Conrad U. Brunner, Maarten van Werkhoven, Franco Bua, Kirk AndersonDas Kapitel konzentriert sich auf die Koordinierung der IEC- und ISO-Standards für energieeffiziente elektromotorbetriebene Systeme (EMDS), die die weltweit größte Gruppe elektrischer Energieverbraucher darstellen. Der IEC Advisory Committee on Energy Efficiency (ACEE) hat ein Projekt zur Förderung eines Systemansatzes zur Standardisierung der Energieeffizienz ins Leben gerufen, das darauf abzielt, die Energieeffizienz von EMDS zu verbessern. Dieses Projekt umfasst mehrere technische Ausschüsse von IEC und ISO, die sich jeweils mit verschiedenen Komponenten von EMDS befassen. Das Kapitel diskutiert die Herausforderungen und Vorteile eines Systemansatzes, einschließlich der Vermeidung doppelter Prüf- und Zertifizierungsbemühungen, und die Notwendigkeit abgestimmter Betriebspunkte und standardisierter Leistungszyklen. Außerdem werden die verfügbaren Werkzeuge und Richtlinien zur Berechnung der Systemeffizienz und das Potenzial für signifikante Energieeinsparungen durch die Optimierung von Komponenten an verschiedenen Arbeitspunkten hervorgehoben. Das Kapitel schließt mit einer Beschreibung eines bevorstehenden Workshops zur Diskussion der Zukunft horizontaler Standards für EMDS, wobei die Bedeutung der Koordinierung und Abstimmung zwischen verschiedenen Akteuren betont wird, um eine globale Markttransformation mit fortschrittlicher Energieeffizienz zu erreichen.KI-Generiert
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AbstractElectric Motor-Driven Systems (EMDS) are currently responsible for some 53% of global electricity consumption (International Energy Agency, World energy outlook 2016, IEA, Paris, 2016). Optimizing the selection of the respective components (motor control, motor, mechanical equipment, and application) is a strategic prerequisite to realize the energy savings potential at system level; moving the optimization from component level to system level can realize extra energy savings with a factor 2 to 5 (van Werkhoven M, Werle R, Brunner CU (IEA 4E Electric Motor Systems Annex), Policy guidelines for motor driven units, part 1: analysis of standards and regulations, Zurich, Switzerland, 2016; Policy guidelines for motor driven units, part 2: recommendations for aligning standards and regulations for pumps, fans and compressors, Zurich, Switzerland, 2018). The design of the components, their sizing and selection, and their combination to form an optimal motor system together with a well-controlled operation need a system approach to optimize EMDS energy performance. Such system approach is not only needed at design level but also when it comes to standardization. -
Surface Eddy Current Suppression on Additively Manufactured Solid Rotor Active Parts
Max Hullmann, Stefan Urbanek, Bernd PonickDas Kapitel befasst sich mit der Anwendung der additiven Fertigung (AM) zur Erzeugung komplexer Rotorgeometrien in elektrischen Maschinen und konzentriert sich dabei auf die Verringerung von Wirbelstromverlusten. Es untersucht verschiedene Rillenanordnungen der Rotoroberfläche und ihre Auswirkungen auf die Verlustreduzierung durch 3D-Finite-Elemente-Analyse (FEA). Die Studie führt einen analytischen Ansatz zur Vorhersage von Wirbelstromverlusten ein und bietet praktische Richtlinien zur Optimierung von Nuttiefe, -breite und -dichte. Zusätzlich wird in diesem Kapitel ein Prüfstanddesign zur experimentellen Validierung vorgestellt, das das Potenzial von AM zur Effizienzsteigerung elektrischer Maschinen hervorhebt.KI-Generiert
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AbstractThis paper describes the development process, 3D finite element analysis, and resulting design guidelines for reducing eddy current effects on solid rotor surfaces of electrical machines considering the three-dimensional freedom when designing parts that are suitable for additive manufacturing technologies. Today’s metal additive manufacturing technologies allow the processing of soft magnetic ferrosilicon alloys, which results in solid, non-laminated rotor active parts. With respect to permanent magnet rotors with buried magnets as in the present paper, it is necessary to groove the rotor surface in various manners to suppress eddy current effects. In a first step, a 3D finite element abstracted model, which optimally represents the rotor surface eddy current effects caused by higher spatial harmonics in a permanent magnet synchronous machine, is presented and numerically and analytically examined to find and describe an optimal rotor grooving method, in order to reduce eddy current losses and to derive specific design guidelines. In a second step, a test bench design is presented and numerically investigated in preparation for a validation of the theoretical results. -
Energy Scorecard: One of the Key Executions to Transform the Market for Energy-Efficient Motors
Hakan GedikDieses Kapitel untersucht die Energy Scorecard als zentrale Strategie zur Transformation des Marktes für energieeffiziente Motoren in der Türkei. Zunächst wird der erhebliche Stromverbrauch in der Industrie hervorgehoben, der in erster Linie durch elektromotorische Systeme (EMDS) angetrieben wird. Der Autor geht auf den aktuellen Zustand ineffizienter Motoren und das Potenzial für erhebliche Energieeinsparungen und wirtschaftliche Vorteile durch Motorenupgrades ein. Das Kapitel stellt die Projekte United for Efficiency (U4E) und TEVMOT vor, die darauf abzielen, energieeffiziente Motoren zu fördern und den Regulierungsrahmen zu stärken. Die Energie-Scorecard wird als semi-obligatorisches Modell präsentiert, um Nachhaltigkeit zu gewährleisten, mit Anreizen für Unternehmen, die ihre motorische Effizienz verbessern. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Bedeutung der Durchsetzung und der Anreize zur Förderung der Markttransformation und positioniert die Energie-Scorecard als entscheidendes Instrument, um langfristigen Erfolg zu erzielen.KI-Generiert
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AbstractTurkey has an important place in Europe with the market size of 240 billion dollars in low-voltage electric motors. It is also estimated that there are approximately 15 million electric motors in the field. Most of these electric motors used in the field are inefficient motors. The motor regulation applied in Turkey is the same as regulation of European Union. Besides, a project named Promoting Energy-Efficient Motors in SMEs in Turkey that is TEVMOT has been initiated for the replacement of inefficient electric motors used in the field. Thanks to the TEVMOT project implemented by the Directorate-General for Industry and Productivity of the Republic of Turkey Ministry of Industry and Technology in cooperation with the United Nations Development Programme (UNDP) Country Office Turkey with the financial support of Global Environment Facility (GEF), it is desirable to create a sustainable model for the replacement of inefficient motors. In addition to giving full support to this project, Electric Motor Industrialists Association (EMOSAD) recommends the implementation of the energy scorecard model in order for the study to be successful. -
A Novel Approach to Predict Reed Critical Frequency of Vertical Motors
Ravi Musinana, Harendra SinghDas Kapitel stellt einen neuartigen Ansatz zur Vorhersage der Reed Critical Frequency (RCF) von Vertikalmotoren vor, der für die Vermeidung resonanzinduzierter Vibrationen von entscheidender Bedeutung ist. Es vereinfacht das komplexe motorische System zu einem Zwei-Grad-Freiheitsgrad-Masse-Feder-System, wobei die Beiträge verschiedener Komponenten wie Masse oder Steifigkeit berücksichtigt werden. Die Methode nutzt eine minimale Finite-Elemente-Analyse und erreicht eine Genauigkeit von ± 10% im Vergleich zu herkömmlichen Bump-Tests. Das Kapitel validiert das Modell anhand kommerzieller FEA-Pakete und realer Testdaten und demonstriert seine Anwendbarkeit auf verschiedene Motorgehäuse und Rahmengrößen. Durch die Reduzierung der Rechenzeit und die Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit bietet diese Methode erhebliche Vorteile für die Motorenkonstruktion und -analyse in der Anforderungsphase.KI-Generiert
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AbstractNatural frequencies of vertical machines or structures are termed as reed critical frequencies (RCF). They can be termed as the first natural frequency of the vertical machines in transverse direction. Their calculation becomes critical as they can harmonically interact with the driven component leading to resonance condition causing catastrophic failure during operation. This resonance condition can be eliminated by maintaining adequate separation of margin between RCF and operating speed or excitation frequency. As most of the application demands a constant operating speed, the feasible way to avoid resonance is to move the RCF away from the operating speed.Presently, few methods of predicting RCF are available. The first such method is to simulate the full motor assembly using finite element analysis with suitable boundary conditions. This method is extensive and sensitive to various factors. The second method as proposed by National Electrical Manufacturers Association (NEMA) treats the motor as a single degree of freedom system and predicts the frequency with static deflection of motor at Centre of Gravity. This method is very rudimentary, and the third method is to perform bump test on machine, which is time consuming and costly for every motor. In industrial applications, motor manufacturer must submit a motor outline drawing with RCF within ±10% accuracy well before the final stage of design. However, neither of these methods gives accurate and cost-effective solutions.This work proposes a methodology for predicting RCF of vertical motors on solid foundation considering it as a two degrees of freedom system, by proposing a mathematical model to predict the natural Frequencies of vertical motor by converting the motor geometry into the equivalent simple structures using Timoshenko beam model. The aim of this work is to reduce resources utilized to predict RCF with an accuracy of ±10%. Frequency of different enclosure motors (WP-I, WP-II, TEFC) is simulated using finite element method and the motor simplification is done as a beam with elastic mass attached over it. The study also includes the behavior of the dynamic system with mass and stiffness contribution for different components in the assembly. Finally, the validation with bump test data proves the concept across different frame sizes and enclosures. -
Evaluation of High-Tech Electrical Steel in a High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machine for an Aircraft Application
Mina Mirzadeh, Gerrit Narjes, Bernd PonickDieses Kapitel untersucht den Einsatz von Hightech-Elektrostahl in einer Hochgeschwindigkeits-Synchronmaschine mit Permanentmagneten, die für Flugzeuganwendungen entwickelt wurde. Zunächst werden die Umweltbelange und technologischen Herausforderungen in der Luftfahrtindustrie hervorgehoben, insbesondere die Notwendigkeit schnellerer und umweltverträglicherer Technologien. Das Kapitel vertieft dann die Eigenschaften und Materialparameter verschiedener elektrischer Stahllegierungen und vergleicht Silizium-Eisen, Kobalt-Eisen und Nickel-Eisen-Stähle. Das Referenzmaschinendesign wird eingeführt, wobei der Schwerpunkt auf einem kompakten und effizienten Design liegt, das den Anforderungen des Flugzeugs gerecht wird. Die Auswirkungen der Verwendung von Kobalt-Eisen-Elektroblechen werden bewertet und zeigen Verbesserungen bei Leistungsfaktor und Verlustreduzierung. Dem erhöhten Gewicht wird jedoch durch eine Neukonstruktion der Maschine Rechnung getragen, um die Gesamtmasse zu reduzieren, was zu deutlichen Verbesserungen des Leistungsgewichts-Verhältnisses und des thermischen Verhaltens führt. Das Kapitel schließt mit der Betonung des Potenzials von Hightech-Elektrostahl als Enabler für höhere Frequenzen in Flugzeuganwendungen und bietet wertvolle Erkenntnisse für interdisziplinäre Designmethoden.KI-Generiert
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AbstractA major design challenge of high-speed high-power machines is the dissipation of heat resulting from the occurring losses. Higher rotational speeds require a high base frequency of 1 kHz. Thus, such a design will have high hysteresis losses and eddy current losses in its iron paths. Thinner electrical sheets and iron alloys with lower specific loss, e.g., cobalt-iron, are used as one countermeasure. However, given the challenge of an aircraft application with the demands for low weight and a small build volume, further aspects such as the difference in density and the heat transfer characteristics have to be considered as well. This paper compares an already existing machine design built with silicon-iron electrical sheets to further iterated designs based on a very thin cobalt-iron material at the same operational conditions. Furthermore, a new machine with higher pole pair number is designed to take advantage of the low loss coefficients and, consequently, make use of a higher operational frequency. The pros and cons of these machines are evaluated using finite element and numerical simulations for electromagnetic and thermal aspects. The results show the advantage of high-tech thin cobalt-iron alloy electrical steels in the field of electrical machines with a high power-to-weight ratio of 10.31 kW/kg for the active part of the machine compared to 7.35 kW/kg using a silicon-iron material. -
New Life Calculation Model for Hybrid Bearings
Author Magnus ArvidssonDas Kapitel stellt ein neuartiges Lebensdauerberechnungsmodell für Hybridlager vor, das den Unterschied zwischen Oberflächen- und Untergrundermüdung betont. Hybridlager mit keramischen Wälzkörpern bieten in schwierigen Umgebungen überlegene Leistung. Das neue, von SKF entwickelte Modell prognostiziert präzise die Lebensdauer unter verschiedenen Bedingungen und überbrückt so die Lücke zwischen theoretischen Modellen und praktischen Anwendungen. Das Modell wird durch umfangreiche Dauertests validiert, die die Vorteile von Hybridlagern hinsichtlich längerer Lebensdauer und besserer Leistung unter rauen Bedingungen aufzeigen. Das Kapitel umfasst auch praktische Anwendungsfälle, die die Effektivität des Modells in realen Szenarien aufzeigen.KI-Generiert
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AbstractHybrid bearings are bearings with rings made of steel and rolling elements made of ceramic silicon nitride (Si3N4). They are used in demanding application conditions, like compressor (Morales-Espejel, GE, Hauleitner R, Wallin HH, Pure refrigerant lubrication technology in oil free centrifugal compressors. SKF Evolution #1, 2017, pp 26–30), pumps and e-motors. Hybrid bearings are also used for their insulating properties. As a non-conductive material, silicon nitride protects the bearing rings from conducting electric current, thereby preventing damage caused by electrical erosion. This can occur if there is a voltage difference between the rotor and the housing.Recently SKF introduced the Generalized Bearing Life Model (GBLM), and since then, work has continued focusing on specialized bearings and experimental validation of the model. In order to take the full advantage of all key factors in the bearing selection. SKF has developed life calculation for hybrid bearings. Due to the higher stiffness of the ceramic, the Hertzian contact area is slightly smaller in a hybrid bearing leading to higher contact pressure and subsurface stress compared to a bearing of equivalent geometry made entirely in steel. In principle this should cause a reduction of the fatigue lifetime of the bearing. However, it has been observed that in typical applications hybrid bearings last longer. How to explain this odd behaviour? How to model it? In this paper these questions are addressed; it is also shown that GBLM can model and explain well the observations in the field. -
Programme for In-Depth Analyses of Electric Motor Systems in Industry (ProAnalySys)
Richard PhillipsDieses Kapitel befasst sich mit dem "Programm für Tiefenanalysen elektrischer Motorsysteme in der Industrie" (ProAnalySys) in der Schweiz, das initiiert wurde, um Unternehmen bei der Reduzierung des Stromverbrauchs in der Industrie zu unterstützen. Er untersucht das Energieverbrauchsprofil der Schweizer Unternehmen, regulatorische Massnahmen für grosse und sehr grosse Unternehmen und die Beschränkungen verpflichtender Audits. Das ProAnalySys-Programm wird als ergänzende Maßnahme hervorgehoben, die subventionierte Tiefenanalysen anbietet, um signifikante Energieeinsparpotenziale zu identifizieren. In diesem Kapitel werden auch drei Pilotprojekte vorgestellt, die die Wirksamkeit des Programms mit Einsparungen von 5% bis 50% belegen. Der Text schließt mit der Betonung der Bedeutung eingehender Analysen und des freiwilligen Charakters des Programms und ermutigt Unternehmen, Effizienzmaßnahmen auf der Grundlage präziser Daten und Expertenempfehlungen umzusetzen.KI-Generiert
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AbstractAll Swiss companies are classified into four main categories based on their energy consumption: small, medium, large and very large companies. The first two categories represent less than 3% of the total number of companies, but account for almost two-thirds of Switzerland’s total electricity consumption. For this reason, both the federal government and the cantons stipulated that these companies must reduce their energy consumption. Consequently, they are required to perform an energy audit in order to evaluate their energy-saving potential and thus define a set of efficiency measures that they undertake to implement over a 3-year or up to a 10-year period. However, these audits are quite superficial and do not indicate whether the output of the operated motor systems corresponds to the effective needs. Replacing an existing motor with a premium or even a super-premium model is a simple measure, but it does not give rise to significant electricity savings. Such mandatory energy audits are not sufficient: what is needed is an in-depth analysis during which certain measurements may also be necessary. These in-depth analyses are expensive and time-consuming and call for special expertise as well as appropriate equipment and software. In view of this, the Swiss Federal Office of Energy (SFOE) decided to launch a subsidised programme aimed at promoting in-depth analyses among energy-intensive companies and large-scale consumers, as well as supporting them with the implementation of their resulting voluntary efficiency measures. This paper presents the framework conditions and objectives of the programme (called ProAnalySys), plus some examples of in-depth analyses performed on swimming pools, cable railways and refrigeration installations. -
A Review of the United States Process for Developing MEPS, the Benefits, and How Other Economic Regions Could Benefit from Adopting Similar Approaches
Kirk Anderson, Rob BotelerDas Kapitel geht auf den Prozess der Vereinigten Staaten zur Entwicklung von Mindestanforderungen für die Energieeffizienz (MEPS) ein und betont die Bedeutung eines gut konzipierten Regulierungsrahmens. Darin werden die Vorteile des aktuellen Prozesses wie Energieeinsparungen und Markttransformation diskutiert, während zugleich zentrale Herausforderungen wie die widersprüchliche Anwendung und das Fehlen einer "schnellen Abschaltung" für Produkte mit hohem Energieeffizienzniveau hervorgehoben werden. Das Kapitel untersucht auch potenzielle Verbesserungen wie eine bessere Prozessdokumentation, erhöhte Transparenz und die Verwendung von in der Industrie anerkannten Standards. Darüber hinaus liefert sie Beispiele für erfolgreiche und weniger erfolgreiche MEPS-Implementierungen und zieht wertvolle Lehren für Regulierungsbehörden in anderen Wirtschaftsregionen. Das Kapitel schließt mit der Befürwortung eines robusten, transparenten und konsistenten Prozesses zur Entwicklung von MEPS, wobei die globalen Vorteile eines verringerten Energieverbrauchs und leistungsfähigerer Produkte hervorgehoben werden.KI-Generiert
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AbstractThe United States has been at the forefront of developing energy regulations for over four decades. During this time, a Process Rule has been used to create dozens of regulations. This chapter examines how the Process Rule works today, including the various stakeholders typically involved in developing MEPS, rules for developing regulations, and efforts underway to improve the existing process. The chapter also includes two examples of regulations and the outcome of each. Finally, the chapter lists benefits by incorporating the Process Rule as a model. -
Electromagnetic Design of Propulsion Motors with Superconducting Field Coils for Electrified Aircraft
Yusuke Ishida, Yutaka Terao, Hiroyuki OhsakiDas Kapitel befasst sich mit der elektromagnetischen Konstruktion von Antriebsmotoren mit supraleitenden Feldspulen für elektrifizierte Flugzeuge und adressiert die steigende Nachfrage nach Passagier- und Frachtverkehr mit reduzierten Kohlendioxidemissionen. Die Studie konzentriert sich auf die Elektrifizierung von Antriebssystemen und unterstreicht das Potenzial supraleitender Motoren, im Vergleich zu konventionellen Systemen einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere Treibhausgasemissionen zu erreichen. In diesem Kapitel wird das Konzept der teilweise supraleitenden Motoren (PSCM) vorgestellt, die supraleitende Feldspulen mit Kupfer-Ankerwicklungen kombinieren, um die Ausgangsdichte und Effizienz zu optimieren. Das Design und die Optimierung von PSCMs werden ebenso diskutiert wie die Konfiguration des elektrifizierten Flugzeugantriebssystems (EAPS), das diese Motoren einbindet. Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Analyse der PSCM-Spezifikationen und ihres Potenzials, die hohen Anforderungen an die Leistungsdichte von Flugzeugen mit mehr als 100 Passagieren zu erfüllen.KI-Generiert
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AbstractThis paper describes the output power density of partially superconducting motors (PSCMs), which have superconducting field coils and copper armature windings, for electrified aircraft propulsion systems (EAPSs). In EAPSs the aircraft’s fans are driven by electric motors. For electrified aircraft with a capability of more than 100 passengers, the electric motors are required to have high output power density of 16 kW/kg or more, whereas the power density of a conventional synchronous motor is limited to around 5 kW/kg. PSCMs have a potential to achieve such a high output power density because of high current density of the superconducting field coils and high magnetic flux density generated by them. The output power densities of 5.5 MW PSCMs were estimated at different operating temperatures of the field coils by analytical equations and FEM analysis. The design results showed that the output power density reached 16.1 kW/kg at 20 K and 12.0 kW/kg at 65 K. From these results we consider that the PSCMs at 20 K have a potential to be adopted in EAPSs in terms of high output power densities. The output power density of PSCMs at 65 K is more than double compared to conventional electric motors, although the required output power density could not be attained. -
Design Methodology for a PM Electrical Variable Transmission Used in HEV
Florian Verbelen, Hendrik Vansompel, Ahmed Abdallh, Kurt Stockman, Peter SergeantDas Kapitel untersucht die Entwurfsmethodik eines elektrischen variablen Getriebes (EVT), das in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) verwendet wird. Er diskutiert die Topologie, das Funktionsprinzip und die Steuerung des Elektrofahrzeugs und hebt seine Fähigkeit hervor, den Verbrennungsmotor von den Rädern abzukoppeln und so die Effizienz zu steigern. Der Einsatz von Skalierungsgesetzen wird eingeführt, um die Analyse von Designänderungen zu vereinfachen und den Rechenaufwand deutlich zu verringern. Das Kapitel befasst sich dann mit der Anwendung des EVT in einem HEV und liefert eine detaillierte Analyse, wie Designfaktoren Kraftstoffverbrauch und Fahrleistung beeinflussen. Die Ergebnisse werden in Form von Leistungskarten präsentiert, die wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung der Größe und Effizienz des EVT liefern. Das Kapitel schließt mit einer Demonstration der praktischen Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die Fahrzeughersteller und betont die Zielkonflikte zwischen anfänglichen Kosten und langfristigen Kraftstoffeinsparungen.KI-Generiert
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AbstractDesigning a permanent magnet electrical variable transmission is a cumbersome task, regardless of the considered application. The main reason for this is the iterative design process using a computationally intensive finite element model calculations that is necessary to model its behaviour. This makes it difficult to study or visualize the impact of design changes on, for example, the fuel consumption or cost of a hybrid electrical vehicle. To solve this, electromagnetic scaling laws are used to set up a performance map of the entire system. This map is able to present the performance (i.e. fuel consumption, cost, maximum acceleration, etc.) as a function of an axial and radial scaling factor. The map thus displays the performance of a series of designs which enable the reader to select the optimal one in a graphical way. Furthermore, feasibility constraints such as maximum weight, are added. These constraints allow to reject designs but make it also possible to study the performance as a function of weight or material cost. This is particularly useful for manufacturers as it gives an idea of how their investment is translated into a reduction in fuel consumption. -
IE3 Efficiency Class as MEPS for Industrial Motor: How Brazil Got There
George Alves Soares, Carlos Aparecido FerreiraDas Kapitel befasst sich mit dem brasilianischen Markt für Elektromotoren und hebt dessen großes Verkaufsvolumen und starke Produktion im Inland hervor. Darin werden die seit 1986 umgesetzten Energieeffizienzmaßnahmen dokumentiert, die 2017 in der Etablierung der IE3-Effizienzklasse als MEPS gipfelten. Die Studie der regulatorischen Auswirkungen, die durchgeführt wurde, um die Auswirkungen dieser Maßnahme zu analysieren, zeigt beträchtliche Energieeinsparungen und minimale Marktstörungen. Das Kapitel diskutiert auch die Herausforderungen und Vorteile der Durchsetzung dieser Verordnung, einschließlich der Einbeziehung reparierter Motoren und der Notwendigkeit einer effektiven Marktüberwachung.KI-Generiert
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AbstractThe industrial motor market is huge in Brazil; around 2.7 millions units were commercialized, and the nationally installed motors in industrial plants were estimated in more than 20 million units in 2016. Their electric energy use, only for the industrial sector, is approximately 25% of the total national energy consumption. Due to the relevance of these machines, the government started effective actions to improve their technology and usage in 1992 (Soares G, Pinheiro M, Shindo R et al, The target program for three-phase induction motors. In: Proceedings of energy efficiency in motor drive EEMODS – 05, Heidelberg, Germany, September 2005).The first MEPS for industrial motors occurred for IR1 efficiency class, similar to IE1 in 2002. The MEPS were raised to IR22 level in 2010. Two years later, the Brazilian Technical Committee started developing some studies to establish the next step for MEPS, as presented in EEMODS’13 (Soares G, Ferreira CA, Costa EA, Santos MA, Leme AP, IS IE3 efficiency class: a feasible next step for industrial motor’s MEPS in Brazil? In: Proceedings of 8th energy efficiency in motor drive EEMODS – 13, Rio de Janeiro, Brazil, October 2013). However, the market conditions, the global competition of Brazilian OEMs, and the increase of imported motors made the market need more time to absorb the IE2 as MEPS. In 2016 and 2017, some accurate studies were carried out to understand the market barriers and to re-estimate the gains for the society, including the power sector and consumer views. The articulation of representatives from the business sector, public sector, and civil society organizations was carried out to ensure a feasible regulation.In August of 2017, a governmental directive was enacted establishing IR32 (IE3) efficiency class for the new MEPS for industrial motors. This measure took effect 2 years after the date of its publication in the Official Journal. Two years were considered the time needed for market preparation. Additionally, in an innovative way, this regulation includes also commercialized repaired motors, another big issue in Brazil.This paper presents the national motor market, the gains and the barriers of the IE3 efficiency class as MEPS in Brazil, and all activities that took place for achieving this enacted regulation. -
A Decision-Making Tool Incorporating Multiple Benefits of Motor Systems’ Retrofits
Rita Werle, Rolf Tieben, Petar Klingel, Andreas Rothen, Lea Fleischli, Victoria Pyatova, Shaun West, Kurt Ackermann, Richard PhillipsDas Kapitel untersucht das signifikante Energieeinsparpotenzial von Elektromotorensystemen, die in der Schweiz rund 50% und in der Industrie über 70% des gesamten Stroms verbrauchen. Trotz der CO2-neutralen Stromerzeugung des Landes wurden Maßnahmen zur Verbesserung motorischer Systeme durch technische Komplexität und Ressourcenbeschränkungen behindert. Die Autoren stellen ein Projekt vor, das darauf abzielt, ein webbasiertes Entscheidungstool zu entwickeln, das mehrere Vorteile von Motorenumrüstungen berücksichtigt, darunter verbesserte Wettbewerbsfähigkeit, verringerte Produktionskosten und ein verbessertes Unternehmensimage. Das Tool wurde entwickelt, um Entscheidungsträger in kleinen bis großen Unternehmen zu unterstützen und plädiert für Investitionen in Energieeffizienz, die über rein finanzielle Aspekte hinausgehen. Das vom Bundesamt für Energie unterstützte Projekt umfasst Interviews mit Branchenexperten, um diese vielfältigen Vorteile zu identifizieren und zu validieren. Ziel ist es, am Automobilgipfel 2019 erste Ergebnisse zu präsentieren und bis Mitte 2020 abzuschließen.KI-Generiert
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AbstractInvestments into energy efficiency in companies are currently considered rather one-sided, for the most part focusing on financial aspects only. Further benefits such as operational security, employee productivity, etc. are not systematically included in the investment analysis.According to the final report of the research project Management as a Key Driver of Energy Performance from 2018, ‘Energy efficiency provides numerous benefits to companies, including improvements in worker comfort, product quality, overall flexibility and productivity, as well as reductions in maintenance cost, risk, production time and waste’. The overall benefits of energy efficiency improvements are not only related to energy but also include non-energy aspects and are often referred to as multiple benefits. Non-energy benefits can have more importance than energy benefits only and ultimately help in convincing company management to invest into energy efficiency – having a positive overall impact on companies’ competitiveness. Thus, multiple benefits, which include both energy and non-energy aspects, have a significant potential in triggering the (timely) replacement of existing installations (Management as a key driver of energy performance – final report, 15 November 2017; https://aceee.org/blog/2015/12/multiple-benefits-prove-energy).A Swiss project aims to develop a decision-making tool for motor systems that supports decision-makers in small and large companies, incorporating the aspects of multiple benefits. Since electric motor systems are widely used in companies of all sizes across different sectors (primarily in the industrial and services sectors), the market potential of such a decision-making tool is considerable. In addition to a technical approach, socio-economic as well as investment-related aspects will be incorporated, so that the basis for decision-making has the necessary breadth. The final product shall be a web-based tool, which is easily available and applicable for the target group.The project is implemented in three phases and concluded by mid-2020:1.Phase 0: In this preparatory phase, the general approach was established, taking into account technical, behavioural and financial aspects. Interviews were conducted with four organisations, laying down the groundwork.2.Phase I: Following the preparatory phase, relevant multiple benefits will be further elaborated, identified and validated, based on interviews and data analysis. Four applications of motor systems will be analysed, namely, air compressors, cooling compressors, fans and pumps (and in addition as an option variable frequency drives).3.Phase II: The results of Phase I will be integrated into a web-based decision-making tool.4.Phase III: Dissemination of the tool to relevant stakeholders.This paper focuses on the methodological approach taken and the results so far (Phase 0).
- Titel
- Energy Efficiency in Motor Systems
- Herausgegeben von
-
Dr. Paolo Bertoldi
- Copyright-Jahr
- 2021
- Electronic ISBN
- 978-3-030-69799-0
- Print ISBN
- 978-3-030-69798-3
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-030-69799-0
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