This project’s research area is electrical machines and drives, and more specifically medium voltage induction machine design, for large load starting- torque applications. When squirrel-cage induction machines are required to start large load torques, at a relatively low starting current, their rotor bars are designed with high resistivity materials to produce an effective electro- mechanical torque, since low-resistivity bars will not manage to accelerate the load to its full speed. However, a compromise must be struck when using high- resistivity materials. Higher resistances lead to higher power consumption and greater ohmic losses at nominal operation/load. Thus, changing to an intermediate resistivity solution (which is still able to start the load) should directly produce lower power consumption at any operating condition. The purpose of this project is to perform a thermal analysis on a given IM designed with multimaterial rotor bars. Since the current density in the slot will vary along the bar height (due to the conductivity difference between materials), the loss density will also vary and this will affect the bar temperature distribution. To fulfill the purpose of the project and its different goals, a research process, separated into five consecutive steps, was implemented. First, a literature review was conducted, where relevant previous work and theory was reviewed. Then, the three main phases of the project were conducted, namely developing the multimaterial analytical model, the electromagnetic, and the thermal finite element method models. Finally, the results of each simulation were analyzed and compared. Simulation results show that multimaterial rotor bars improve the starting characteristics for the reference induction machine, when compared with a design with rotor bars made with pure low-resistivity materials. Additional results show that the machine efficiency increases compared to a design with rotor bars made with pure high-resistivity materials. Steady-state Thermal simulations show that temperature distribution, in the rotor and bars are within normal operation limits for electrical machines, increasing confidence in the potential success of a prototype. Therefore, an induction machine with multimaterial rotor bars may be able to start and drive greater loads and produce fewer losses than their counterparts designed with rotor bars made of a single material, respectively. With this additional feature, induction machine designers may gain a greater flexibility for meeting restrictive torque customer requirements and efficiency legislation.

Detta projekts forskningsområde är roterande elektriska maskiner och mer specifikt design av mellanspänningsinduktionsmaskiner, för applikationer med stora lastmoment vid start. När kortslutna asynkronmaskiner med en relativt låg startström används för att starta stora lastmoment är rotorstavarna normalt utformade med material av hög resistivitet för att producera tillräckligt moment. Detta eftersom lågresistiva stavar inte producerar tillräckligt moment för att nå fullt varv. En kompromiss kan göras där man använder material med hög resistivitet. Högre rotorresistans leder också till större förluster vid nominell drift/belastning. Att byta till en lösning med medelresistivitet (som fortfarande kan starta belastningen) bör alltså direkt ge lägre energiförbrukning vid alla driftsförhållanden. Syftet med detta projekt är att utföra en termisk analys på en given IM designad med flera material i rotorstaven. Eftersom strömtätheten i staven kommer att variera längs dess höjd (på grund av materialens olika resistivitet) så kommer även förlusttätheten att variera vilket kommer att påverka stavens temperaturfördelning. För att uppfylla syftet med projektet och dess olika mål genomfördes en forskningsprocess, uppdelad i fem på varandra följande steg. Först gjordes en litteraturstudie, där relevant tidigare arbete och teori granskades. Därefter genomfördes de tre huvudfaserna i projektet, nämligen utvecklingen av den analytiska modellen för induktionsmotorer med flera material i staven, den elektromagnetiska modellen och de termiska beräkningarna med hjälp av finita elementmetoden. Slutligen analyserades och jämfördes resultaten från varje simulering. Simuleringsresultaten visar att rotorstavar som består av flera material för- bättrar startegenskaperna, jämfört med en design med rotorstavar tillverkade av rena material med låg resistivitet. Ytterligare resultat visar att maskinens verkningsgrad ökar jämfört med en design med rotorstavar tillverkade av rena material med hög resistivitet. Termiska simuleringar vid nominell drift visar att temperaturfördelningen i rotorn och stavana ligger inom normala driftsgränser för elektriska maskiner, vilket ökar förtroendet för en prototyps potentiella framgång. Därför kan en induktionsmaskin med rotorstavar i flera material kunna starta och driva större belastningar och ge lägre förluster än dess motsvarighet som är konstruerade med rotorstavar gjorda av ett enda högresistivt material. Med denna extra metod kan konstruktörer av induktionsmaskiner få en större flexibilitet för att möta marknadens krav på startmoment och verkningsgrad.