41
U of I Seminar Page 1 TAK 9 / 16 / 2016 Inductions Motors Overview of history, physical design, basic theory, and performance with emphasis on aircraft applications Typical large induction motor circa 1894 100 HP – 8 pole 600 RPM – must be 40 hertz Dripproof, selfvent Formed coil / chain wound / single coil per slot (consequent pole) Wound rotor with spider construction Slip rings outboard of bearing Sleeve bearing

induction motor seminar - University of Illinois at Urbana ...energy.ece.illinois.edu/...16-16-induction-motor-seminar-handout.pdf · motor Gramme ring wound stator ... connection

Embed Size (px)

Citation preview

U of I Seminar   Page 1  TAK   9 / 16 / 2016  

Inductions Motors 

Overview of history, physical design, basic theory, and 

performance with emphasis on aircraft applications 

 

 

 

Typical large induction motor circa 1894 

  100 HP – 8 pole ‐ 600 RPM –  must be 40 hertz 

Drip‐proof, self‐vent 

Formed coil / chain wound / single coil per slot                    

(consequent pole)  

Wound rotor with spider construction 

Slip rings outboard of bearing 

Sleeve bearing 

 

U of I Seminar   Page 2  TAK   9 / 16 / 2016  

1.  Description, configuration, features ‐ Other names are asynchronous or squirrel cage motor  

‐ Only one of the windings is excited with electrical 

input as a requirement 

‐ Does it even have a winding on the rotor? 

‐ It’s like a transformer with an air gap and the 

secondary is shorted out and spins 

‐ It’s like a clutch being ridden all the time 

‐ It’s simple and robust 

‐ It’s synonymous with 3 phase, polyphase, and rotary 

magnetic field 

‐ One of the 10 best discoveries in the last 130 years. 

‐ It’s not just a motor ‐ it’s a brake or a generator 

 

 

 

Tesla’s first motor

2 phase (4 wire)  

2 pole 

Concentrated or 

concentric pole wound 

Wound rotor ‐ shorted 

U of I Seminar   Page 3  TAK   9 / 16 / 2016  

 

 

Induction motors comprise of the following 

electrical / magnetic elements: 

Stator – the only part normally connected to external electrical 

power.  Most commonly on the exterior and almost always 

stationary.  

Stator winding are three phase or single phase today and carry 

full power of the motor.  

Stators have laminated cores and most have slots for the coils ‐ 

either formed coils or random wound coils.  It’s hard to tell 

induction motor and traditional synchronous stators apart.   

Early machines quickly moved to the modern stator 

configuration. 

The second Tesla

motor 

Gramme ring 

wound stator 

Slotted 

6 pole? 

Solid rotor 

2 phase (4 wire) 

U of I Seminar   Page 4  TAK   9 / 16 / 2016  Rotor – the rotor need not receive external power or excitation 

other than from the stator. 

Most rotors are “squirrel cage”‐ consisting of bars that are 

shorted together on each end to “end rings”. 

Cage rotors are cast or fabricated of aluminum, copper, or 

other metals.  Most rotors have no insulation. 

Wound rotors have winding schemes similar to stators – 

typically wound for 3 phases and with a pole count matching 

the stator. 

Slip rings are used to connect a wound rotor to external 

resistance to change the motor speed / torque characteristic.    

Early Tesla / Westinghouse 2 phase wound rotor motor 

 

8 concentric coils on 

pole pieces 

2 phase  

4 poles (2 coils per 

pole) 

2 slip rings 

U of I Seminar   Page 5  TAK   9 / 16 / 2016  

 

3 phase formed coil stator and matching rotor 

 

 

 

Transition to 3 phase and many 

slotted distributed winding  

This machine is formed coil, 

concentric, consequent, and 

chain wound 

15 coil groups, 5 per phase    

note 1 group has a special cross 

over  

10 pole, 120 slot, 

4 slots per pole per phase 

Small slot opening to reduce 

slot leakage but coils inserted 

from ends 

Circa 1900 

Matching squirrel cage

rotor  

2 radial vents rotor and 

stator) 

Fabricated construction 

Note open slot tops 

90 slots (originally wound?) 

How many phases or 

poles?? 

U of I Seminar   Page 6  TAK   9 / 16 / 2016  

Stator Winding Basics 

Core configuration    

Barrel slotted,  Gramme ring,  

or concentrated pole wound 

Slot type 

Parallel side ‐  formed coil 

Semi‐closed (  parallel tooth) – random winding 

                                                        

Coil shape 

Loop wound or wave wound 

     

 

         

 

U of I Seminar   Page 7  TAK   9 / 16 / 2016  

Layers  

2 layer lap ‐ 3 groups per pole if 60 degree belts or 3 groups per pole pair if 120 degree belts (low speed of 2 speed motors) 

 

1 layer ‐  3 groups per pole pair  since half as many groups can be 

called consequent pole 

                

 

 

 

 

 

 

Loop shape 

Knuckled lap coils   Concentric  / chain coils  

 

Winding repetition 

Integral winding – slot per pole per phase ( s/p/ph) is an integer ‐  all groups have same # of coils in series no restrictions in parallels        

 

Fractional winding – s/p/ph  is a fraction – parallels limited  

 

     

 

U of I Seminar   Page 8  TAK   9 / 16 / 2016   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Winding factors 

Pitch factor – Kp: Coil embrace, pitch, or throw – what part of 

pole pitch is covered.    Sine of 90 degrees x embrace. 

Distribution factor ‐ Kd‐ phase effect of adjacent coils in a group in series ‐ never less than 3/π  (.955) for 60 degree belts.   

Connection ‐ parallel groups, series groups, wye or delta.  

 

 

 

Integral example ‐ 6 pole – 54 slots   (60 degree belts, 2 layer)    

333333333333333333 = 54 s/p/ph = 3

3 3 3 3 3 3 18 coil groups all the same  

3 3 3 3 3 3 6 coil groups per phase

3 3 3 3 3 3 6, 3 , 2, or 1 parallels available  

Fractional example ‐ 8 pole – 90 slots   (60 degree belts, 2 layer)    

433343334333433343334333 = 90 s/p/ph = 3.75

4 3 3 3 4 3 3 3 24 coil groups not all the same  

3 4 3 3 3 4 3 3 8 coil groups per phase

3 3 4 3 3 3 4 3 2, or 1 parallels available 

               Always 4 groups in series  

               3 + 3 + 3 + 4 = 11 = 3.75 x 4    

   Example ‐     36 slot  /  4 pole  /  2 layer lap winding 

   3 turn coils / 2 parallel  Y   /  1 to 7 throw  

s/p/ph = 36 / 4 / 3 = 3 

pole pitch = 36 / 4 = 9    coil pitch =  (7‐1) / 9 =  .67    kp= sin ( 90 x .67) = .866 

kd =.960      4 groups per phase  since 2 parallel there are two groups in series   

Series turns =   4 turn x 3 coils per group x 2 groups in series x .866 x .96 =  19.95 

U of I Seminar   Page 9  TAK   9 / 16 / 2016  

Partially wound formed coil stator 

       

   

 

 

Lap wound – 2 coil sides per slot

Bar wound = 1 turn = 1 knuckle 

Multi‐turn – 2 knuckle 

Multi‐turn formed coils with 

corona gradient paint in core area.  

 

Stator coil at loop stage and after 

“spreading” 

 

2 – four turn coils in slot, without 

and with side‐ways stranding 

U of I Seminar   Page 10  TAK   9 / 16 / 2016  

Random wound stators in process 

         

     

 

 

 

 

 

Aircraft hydraulic 

pump motor 

Random lap wound 

Semi ‐ closed slots 

Parallel teeth 

Note phase papers 

U of I Seminar   Page 11  TAK   9 / 16 / 2016  

Rotor Construction 

       

 

      

 

 

              

                                     

 

Wound rotor

Bar wound  

Maybe 4 pole because coil end 

turn crosses about 1/8th of 

circumference. 

Bar to bar connection will be 

soldered using clips. 

First motor I ever wound was 

like this in 1977.  Took me 3 

weeks.

Traditional fabricated bar rotor are used 

for: 

1.   High efficiency (copper bar)  

 

2. Large size 

Copper trade groups tout the 

advantages of copper rotors – aluminum 

rotors have “bad efficiency”  

Fabricated rotor have brazed or soldered 

connection and potentially loose bars.   

They are most prone to rotor problems  

Is efficiency always a good thing? 

              

Rotor slot combo crib sheet‐ 

black art at its best.   

Refer to Gabriel Kron, AIEE, 1931 

U of I Seminar   Page 12  TAK   9 / 16 / 2016  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comparison of moderate and deep bar designs 

           

Slot opening – carter factor for 

effective air gap 

Slot leakage (reactance)    

Various depth over width ratios 

Skin effect 

Deep bar effect 

Rotor reactance and resistance 

varies with slip  / speed 

     

24 HP rotor 6 pole machine 

Die cast aluminum 

½ slot stator skew 

Open slot tops  

Double tear drop design 

65 slot (13 x 5) 

56 slot stator  

(6 pole x 3 phase x  3 slots/pole/ph = 54) 

65 / 54 = 1.20 (greater than 1.2 or less than .8) 

R‐S = 9 (not 6, 6+/‐1, or 6+/‐2) 

U of I Seminar   Page 13  TAK   9 / 16 / 2016  

2.  Theory and some history 

 ‐ The transformer analogy 

‐ Rotary magnetic field  

‐ Force mechanism 

‐ Logic, slip, and the equivalent circuit 

 

 

U of I Seminar   Page 14  TAK   9 / 16 / 2016  

The rotating magnetic field 

The first AC machines were alternators (synchronous machines) but 

these machines were conceived as an AC replacement for DC dynamos.  

They were “2 wire” machines that essentially replaced the commutator 

of a DC machine with slip rings.  Then the ideal came to place this new 

type AC winding on the stator.  The alternator was the necessary 

companion to the transformer for long distance transmission.  

   

  

 

 

To date no one had tried to operate these machines as motors nor had 

they been paralleled.  Frequency was not important because nothing 

“operated” off frequency.  Early machines were single phase ‐ there 

was no concept of multiple or polyphases. 

Early alternator with dynamo exciter 

 

disc wound design  

Field stationary 

Armature rotating with slip rings – single ckt 

First Commercial 3 phase alternator, claw tooth rotor 

Lauffen to Frankfort system 110 miles 

32 pole,  40 hertz, 2000 volt, 50 volt , 1400 amp 

93 hertz at 400 RPM , weighs 9 tons   

U of I Seminar   Page 15  TAK   9 / 16 / 2016  Galileo Ferraris and Tesla theorized that AC current with a fixed phase 

relationship (polyphase) could be placed about a machine geometrically 

such that these pulsating MMF’s would result in a wave that rotates 

about the machine and allow inducted excitation of a rotor across the 

air gap. 

        

     

     

       

Phase A MMF in a machine 

Phase B MMF in a machine  

120 degrees away from A 

Phase C MMF in a machine 

120 degrees away from B 

Resultant MMF wave 

moving or travelling 

U of I Seminar   Page 16  TAK   9 / 16 / 2016  The result of this idea lead to 3 advancements: 

1. The idea that polyphases would allow for a traveling MMF that could be put to use .  Mikhail Dolivo‐Dobrovolsky showed three phases (Drehstrom) was more practical than two phase.  “AC” was already identified as having a separate advantage because it allowed high voltage distribution via transformers.  

2. The invention of the induction motor nearly simultaneously by Galileo Ferraris and Tesla.  (Later Mikhail Dolivo‐Dobrovolsky simplified the motor with the squirrel cage rotor.)  

3. The understanding that the alternator could also operate as a synchronous motor.      

Tesla or Ferraris and who else? 

Walter Bailey – 1879 – demonstrated a 2 phase device powered by dry cells and a hand crank commutator.  

Ferraris demonstrated polyphase and rotating magnetic fields in 1885.   He built induction type motor prior to Tesla.  

Tesla received a US patent on May 1st 1888.  He made great prototypes and presented the motor like a showman at technical gatherings.  

Dolivo‐Dobrovolsky added a lot to practicality – 3 phase theory and rotor construction.  

Behrend and De La Tour published practical theory and the circle diagram in 1901.  

Steinmetz provided the equivalent circuit we use today ‐ replacing the more complete Heyland circle diagram.    

By 1911, Bailey’s book – The induction Motor   summarizes modern theory. 

U of I Seminar   Page 17  TAK   9 / 16 / 2016  

 

        

      

Ferrasis’s   first 4 

motors  

 

1885 and 1886 

 

All two phase 

 

The last one has a 

magnetic core 

Bailey’s Motor  ‐1879 

Commutating sequence (partial): 

 

 

U of I Seminar   Page 18  TAK   9 / 16 / 2016  

         

 

Force Mechanism 

 

 

Refer to Direct – Current Machines by Michael Liwschitz (Second 

Edition 1956) Chapter 14 “Tangential Forces in Electric Machines” for 

a detailed presentation of force theory.  

Flux created by MMF

U of I Seminar   Page 19  TAK   9 / 16 / 2016  

 

Logic, Slip and the Equivalent Circuit 

 

The MMF and flux wave of an induction motor travel the same way that 

they do in a synchronous machine thus: 

 

RPM (synchronous) = 120 x Frequency / poles 

 

If the rotor of an induction motor travel exactly in step with the stator‐

created field, then the flux looks to be at stand still when viewed from 

the rotor.   

If this is the case then no voltage / current can be induced in the rotor 

and it can produce no torque to keep itself spinning in lock step with 

the field wave. 

Induction motors never operate at synchronous speed under their own 

power. 

When motoring, induction motor run below synchronous speed or are 

slipping relative to synchronous speed.   

 

         Slip ( S )  =          (synchronous speed – actual speed) 

                                                  synchronous speed  

U of I Seminar   Page 20  TAK   9 / 16 / 2016   

At synchronous speed      slip =  0 or 0% 

At stall  / locked rotor   slip = 1.0 or 100%  

 

Example:  a 4 pole 60 hertz motor runs at 1740 RPM 

RPM synchronous =  120 x 60 / 4  =  1800 RPM 

 Slip  =  ( 1800 ‐1740) / 1800 =  60 / 1800  = .033 = 3.3% 

 

Rotor electrical frequency =  slip x stator frequency 

At synchronous speed Slip = 0,  rotor frequency = 0,  (No frequency, no induction) 

At stall  slip =1, rotor frequency = line frequency  For our example above rotor frequency  = .033 x 60 hz = 2 hertz 

Rotors can be made of lower grade steel since operating 

frequency is low (and losses are low). 

It easy to observe that as load is increased in an induction motor that it 

slows down a bit just like DC motors.   

 

The induction motor equivalent circuit is a combination of the 

transformer equivalent circuit and the idea of slip.  It was developed by 

Steinmetz.   Prior to the equivalent circuit, motor performance was 

calculated using the circle diagram.  

U of I Seminar   Page 21  TAK   9 / 16 / 2016  

 

Remember that the induction motor was described as being 

like a clutch?  

   

U of I Seminar   Page 22  TAK   9 / 16 / 2016  

 

The equivalent circuit as a tool 

No Load S ≈0 (near synchronous speed) 

 

Locked rotor (stall / standstill)   S= 1 

 

R2”/S ≈ ∞

Rotor (secondary) nearly 

open circuited 

Almost no induced voltage 

R2” / S =   R2” 

Xm and Rc >> other parameters 

so they can be ignored 

Starting torque ~ I^2 x R2” 

Is 

Im

Ir’ or I2’

U of I Seminar   Page 23  TAK   9 / 16 / 2016  

Plot of Equivalent circuit performance 

 

 

 

 

U of I Seminar   Page 24  TAK   9 / 16 / 2016  

The derivation of the equivalent circuit is quite complex 

but the result is quite simple.  All inductive parameters 

are treated with stator / line frequency though X2 

physically experiences variable frequency.  

 

R2 is subject to “skin effect” and “deep bar” effect as slip 

increases.  As a result R2 is greater at stall than running 

thereby increasing motor torque. (R2start > 1.5 x R2run). 

X2 is subject to saturation of the slot leakage due to 

frequency and high current at stall.  As a result X2 is 

lower at stall than running.  This increased locked current 

and thereby increases torque.   (X2start < 1.5x X2run). 

 

With these effects varying with slip, the calculated motor 

performance looks more like actual performance of the 

motor as follows:  

U of I Seminar   Page 25  TAK   9 / 16 / 2016  

 

With this enhance modeling:  

Locked current ( LRA) increases from 69 amps to 92 amps 

( X1 + X2 reduced to 75% ) 

Locked torque (LRT) increase from 21  to 79 in‐# 

( R2 increased to 210% of running value) 

Locked power factor increase from 19% to 38% 

Breakdown torque  ( BDT) increases from 97 to 111 in‐# 

Some motors exhibit a “belly” in the             

torque curve called pull up torque (PUT).   

It’s hard to predict or model. 

BDT 

LRALRTLocked PF 

FLT (full load torque)

FLA (full load amps) 

U of I Seminar   Page 26  TAK   9 / 16 / 2016  

Running performance / Load saturation 

 

           

U of I Seminar   Page 27  TAK   9 / 16 / 2016  

3.  Motor Design and Application: 

The equivalent circuit, magnetics, and D^2xL 

The previous discussion of the equivalent circuit suggest that motor 

performance boils down to designing something that has the 

equivalent circuit parameters that will provide performance desired.  

How is this tied to magnetics and size or volume of the motor?  What 

about thermal capability?  

The key parameter in motor performance / capability are X1, X2 

and R2.  All three are controlled by slot dimension, the number of 

turns (squared), and the size of the coil.  (Slot permeance is a 

detailed subject of its own.)  

 

The parameter Xm, R1 are secondary parameters whose effects 

we wish to minimize.  Ideally we want Xm to be infinite (to 

improve power factor) and R1 to be zero.  Both of these 

parameters are strongly influenced by the size of the machine and 

the number of turns in the coils / winding. 

 

R1 and Rc in large part determine the machine losses and have no 

positive effect.   R2 controls rotor loss but is special in that it 

controls locked torque and the slope of the torque curve in the 

running section.  

When flux loading of a machine is higher it can have less turns in 

the primary, having the big effect of reducing the equivalent 

circuit parameters and increasing machine capability.  On the 

U of I Seminar   Page 28  TAK   9 / 16 / 2016  

down side increasing flux loading decreases Xm and Rc – 

increasing magnetic losses.    

                     

                    

 

The idea of D^2xL relates torque capability of a machine to 

volume measured at the air gap.   Sizing constants (torque per air 

gap volume) consider magnetics, losses, heating and experience.    

             

(N= turns per phase)

Φ= total flux per pole in lines 

U of I Seminar   Page 29  TAK   9 / 16 / 2016  

 No load saturation Xm, and Rc 

 If the rotor or secondary current is 38 amps 

at unity power factor then: 

I = √ (21^2+38^2) = 43.4 amps   

PF = 38 / 43.4 = .876 

 

 

 

 

 

 

 

U of I Seminar   Page 30  TAK   9 / 16 / 2016  Is low rotor resistance a good thing? Consider if the rotor of the 

RJ motor was copper instead of aluminum. 

 

 

Customer says – “I want a motor with high efficiency – a copper rotor 

but it needs to have good starting performance and a decent power 

factor when starting.”  ??#??+ 

 

U of I Seminar   Page 31  TAK   9 / 16 / 2016  

Shaping the speed / torque curve 

 

 

 

 

 

  

U of I Seminar   Page 32  TAK   9 / 16 / 2016  

How does voltage affect the motor?  

 

Torque profile proportional to V^2      ( 85 / 111.5)^2 = .58 

Current proportional to V                      (85 / 111.5)   =  .76 

Power  factor unchanged    

Motor slows down – torque margin eroded. 

How about at load conditions? 

Speed will reduce with lower voltage 

Depends on load type (constant HP, constant torque, cube law) 

Current and PF depend on load change  and dominance of magnetizing  versus “working” current. 

         Simple load model

U of I Seminar   Page 33  TAK   9 / 16 / 2016  

How does frequency affect the motor?  

 

Torque inversely proportional to (frequency)^2                             

T@ 650 hz = (400/650)^2 of 400 hz =  38% 

Current inversely proportional to frequency                 

I @ 650 hz = (400/650) of 400 hz =  62% 

For both V and F  

T ~  ( V / F)^2                 I (starting) ~ (V / F) 

V / F =  flux,  magnetic loading  / strength 

At low frequency R1 and R2 become more dominant and erode 

torque and current. 

U of I Seminar   Page 34  TAK   9 / 16 / 2016  

Constant V over F operation 

 

Torque fade at locked rotor 

 

 

 

 

 

 

 

U of I Seminar   Page 35  TAK   9 / 16 / 2016  Wound rotor and high resistance rotors 

  

     

 

     Typical applications: 

Speed Control ( historic, inefficient) 

 

Punch presses, crushers, grinders  

Amusement park rides 

U of I Seminar   Page 36  TAK   9 / 16 / 2016  

 

Brine resistors for rotor circuits can be 100 gallons or more! 

 

U of I Seminar   Page 37  TAK   9 / 16 / 2016  

4.    Motoring, Generating, and Braking / Plugging 

So far we have talked about operation between standstill and 

synchronous speed (1 to 0 slip).  

But what about speeds above synchronous speed or if the 

motor is turning backwards (wind milling) when it is started?  

The model is equally valid for these situations: 

Above synchronous speed the motor is in the generating 

regime.  Slip is negative and the power of R2 becomes 

negative. 

 

At negative speed slip is greater than 1 and the rotor resistance and torque is less than that at stand still.   

                       R2 / S < R2     if S > 1 

 

Induction generators must be connected to voltage for 

excitation.  

 

Vehicle induction motor drives braking (AC traction 

locomotives and road vehicles). 

Windmills with low frequency power fed into the wound 

rotor.  

Small hillside hydropower units. 

 

U of I Seminar   Page 38  TAK   9 / 16 / 2016  

U of I Seminar   Page 39  TAK   9 / 16 / 2016    

5.  Specifications – NEMA and Aircraft 

NEMA – National Electrical Manufacturers   Association 

NEMA MG ‐1 specifies many of the details of commercially 

available motor (AC / DC, induction, synchronous, etc.).  

Induction motors are the biggest impact area. 

Key specification areas include: 

Lead / terminal marking requirements – dual voltage, starting 

modes, direction of rotation, and field winding for DC motor. 

Frame dimensions – motor frame sizes are describe by NEMA.    

48 frame, 56 frame, 184TD, 324U…..    C flange, D flange 

Integral frame induction motor – certain horsepower and speed 

combinations are assigned to specific frame sizes. 

Induction motor “types” – type B torque curve. Type D etc.    

Type B is standard BDT = 200%, LRT = 130%, PUT = 100% for a 25 

HP motor.  

Locked rotor Code  ‐   locked KVA per horsepower.  Code G =  5.6 to 6.3 locked KVA  per HP   Code F =  5 to 5.6 locked KVA / HP 

Temperature rise requirements – for different classes of 

insulation 

Enclosure requirements – open drip‐proof, TEFC ( totally enclose 

fan cooled), TENV ( totally enclosed non‐ventilated) 

Efficiency standards‐  big area today, high efficiency, premium 

efficiency…. 

U of I Seminar   Page 40  TAK   9 / 16 / 2016  

Aircraft Electrical Specifications: 

Standards: 

MIL‐STD‐704  ‐ Aircraft Electrical Power Characteristic 

MIL STD‐M‐7969 – General Specification for Aircraft Alternating 

Current Motors, 400 Cycle 115 / 200‐Volt System 

RTCA DO‐160  ‐ Environmental Conditions and Test Procedures 

for Airborne Equipment 

Systems: 

115 / 200 VAC  (most commercial aircraft) 

230 / 400 VAC   ( Airbus A350 and Boeing 787)  28 VDC ( 24 volt battery)  270 VDC  ( 1.35 x 200 VLL) 

 

CF ‐ (constant frequency) ‐ 400 hertz  ( constant speed drive)  NF – (narrow frequency) – 360 to 650 hertz ( tied to engine speed)  WF – (wide / wild frequency) – 360 to 800 hertz  

Key Terms: 

POR – point of regulation  UET – utilization equipment terminals 

Normal / Abnormal / Emergency  ‐ Voltage and Frequency 

Essential Bus / Non‐Essential Bus  RAT – Ram Air Turbine 

PMP – Pump Motor package 

ACMP / DCMP – ( AC or DC motor pump) 

U of I Seminar   Page 41  TAK   9 / 16 / 2016  Key ACMP Attributes and Requirements 

Rotary Piston Pumps 

Regulated via hanger angle and hydraulic control system 

Regulation curve to work in parallel with other pumps 

Max electrical load defined in amps 

Maximum weight specifications 

Temperature ‐65F to 225 F 

Altitudes to 51,000 ft.  Explosion proofness