International and National Journals
O. Bottauscio, M. Chiampi, L. Donadio, M. Zucca
Experimental set-up for the measurement of induction motor cage currents
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vols. 290-291, part 2, pp. 1322-1325, 2005.
An experimental setup for measurement of the currents flowing in the rotor bars of induction motors during synchronous no-load tests is described in the paper. The experimental verification of the high-frequency phenomena in the rotor cage is fundamental for a deep insight of the additional loss estimation by numerical methods. The attention is mainly focused on the analysis and design of the transducers developed for the cage current measurement.
O. Bottauscio, M. Chiampi, G. Crotti, M. Zucca
Measurement accuracy in shielded magnetic fields
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vols. 290-291, part 2, pp. 1326-1329, 2005.
The measurement error due to both the probe size averaging effect and the coil arrangement is investigated when magnetic field measurements are performed in close proximity to different planar shields. The analysis is carried on through a hybrid FEM/BEM model which employs the "thin shield" technique. Ferromagnetic, pure conductive and multilayer screens are taken into consideration and an estimation of the errors for concentric and non-concentric coil probes is given. The numerical results are validated by experiments.
O. Bottauscio, M. Chiampi, C. Ragusa
Modelling magnetic laminations under arbitrary starting state and flux waveform
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vols. 290-291, part 2, pp. 1446-1449, 2005.
A numerical model able to predict the behaviour of a magnetic sheet under arbitrary supply conditions has been developed. The electromagnetic field problem is formulated in terms of an electric vector potential, which provides the magnetic field strength evolution. The hysteretic behaviour of the material is represented through the dynamic Preisach model where the activation law of the bi-state operators is modified in order to guarantee a smooth response. The problem has been solved through a time step procedure using the fixed Point technique for handling nonlinearity. The model has been validated by comparison with suitable experiments and it is applied to the investigation of the influence of the materials' starting state on the magnetic behaviour.
O. Bottauscio, V. Chiadò Piat, M. Chiampi, M. Codegone, A. Manzin
A mathematical approach to loss estimation in non-homogeneous magnetic materials
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vols. 290-291, part 2, pp. 1450-1453, 2005.
The paper deals with the application of the homogenization technique to the electromagnetic analysis of nonhomogeneous materials composed of grains bounded by a layer whose electrical and magnetic characteristics are sensibly different. The investigation is performed by comparing local and integral quantities, provided by the proposed approach, with the results given by a standard finite element solution, which requires a significantly higher processing time. The influence of different geometrical and constitutive parameters and the merits and limits of the method are finally discussed.
E. Barbisio, O. Bottauscio, M. Chiampi, F. Fiorillo, C. Ragusa
Prediction of magnetic power losses in soft lamination under DC-biased supply
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vols. 290-291, part 2, pp. 1476-1479, 2005.
Power losses in soft magnetic laminations under DC-biased supply are predicted by applying two different approaches. A simple analytical formulation, based on the concept of loss separation, is provided first, which requires the knowledge of a major quasi-static hysteresis loop and two-frequency conventional loss measurement as the sole input information. A numerical finite element solution to the electromagnetic field distribution in the material, associated with application of the dynamic Preisach model of magnetic hysteresis, is also performed. It is shown that the latter overcomes limitations of the former ensuing from appearance of the skin effect at high frequencies.
G. Crotti, D. Giordano
Evaluation of frequency behavior of coils for reference magnetic field generation
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 54, no. 2, pp. 718-721, April 2005.
The frequency behavior of coils for the generation of reference time-varying magnetic fields is evaluated starting from the coil construction parameters (geometrical dimensions, number of turns). A coil equivalent circuit with lumped parameters is considered and the related equation system is solved in the frequency domain. The computed frequency behavior of the coil impedance is validated by comparison with experimental data. The operating frequency limit is identified from the analysis of the coil impedance variation with frequency as a function of the construction parameters.
O. Bottauscio, M. Chiampi, G. Crotti, M. Zucca
Probe influence on the measurement accuracy of non uniform LF magnetic fields
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 54, no. 2, pp. 722-726, 2005.
The error introduced by the coil size averaging effect when measuring nonuniform low-frequency (LF) magnetic fields is investigated with particular reference to the use of field meters equipped with nonconcentric coil probes. The analysis is developed by computation and the results are validated by comparison with experimental data. The influence of different parameters, such as source type, distance of the probe from the source, coil dimension, and probe orientation, is investigated and quantified. The results are synthesized by introducing limit distances from the field source, beyond which the averaging error is lower than a stated value. An estimate of the uncertainty component due to averaging error is also given.
O. Bottauscio, M. Chiampi, A. Manzin
An advanced model for dynamic analysis of electromechanical devices
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, no. 1, pp. 36-46, 2005.
This paper presents an advanced finite-element model for analyzing the dynamic behavior of electromechanical devices. The numerical approach includes nonlinear supply circuits, eddycurrent and hysteresis effects, and mechanical quantities. The motion of the armature can be handled by means of two alternative approaches, based on the overlapping mesh or on the coupling of finite-element and boundary-element methods. The paper validates the model by comparing it to experimental results on an ac electromagnet with shading rings and then applies it to the analysis of fast actuators.
O. Bottauscio, M. Chiampi, A. Manzin, M. Zucca
Prediction of losses in induction machines: a challenge for the modelling approaches
European Physical Journal - Applied Physics Vol. 30, no. 1, pp. 7-16, 2005.
This paper presents and discusses some numerical approaches for the simulation of induction machine behaviour under no-load conditions. All the approaches are based on the finite element solution of the electromagnetic field problem, including physical models of magnetic material and interaction with external circuits. The computed flux distributions enable the prediction of magnetic and additional losses, whose accuracy is discussed also in the light of the complexity of the used numerical technique.
O. Bottauscio, G. Pellegrino, P. Guglielmi, M. Chiampi, A. Vagati
Rotor loss estimation in permanent magnet machines with concentrated windings
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, no. 10, pp. 3913-3915, 2005.
The calculation of magnetic losses in the rotor of a three-phase motor with concentrated windings is presented in this paper. The finite-element code able to handle rotor motion and all the related phenomena (motional eddy currents and minor loops) is outlined. Solid and laminated rotors are considered, and losses are computed under no-load and load conditions. Finally, some experimental validations on a test prototype are given.
J.M.S. Ferreira, M. Zucca, A. Salazar, L. Donadio
Analysis of a bearingless machine with divided windings
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, no. 10, pp. 3931-3933, 2005.
This paper shows some characteristics of a bearingless three-phase induction motor with divided windings independently controlled to generate radial and rotational forces. The analysis of this device has been performed by a two-dimensional finite-element model which has allowed the prediction of the machine performances in terms of current, torque, and force behavior. Some preliminary experimental results have been used to validate the model, then computational results have been considered to provide a radial force prediction in order to improve the control performances.
O. Bottauscio, V. Chiadò Piat, M. Chiampi, M. Codegone, A. Manzin
Evaluation of induced electric currents in strip-wound amorphous cores
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, no. 10, pp. 4060-4062, 2005.
A mathematical homogenization technique is applied to the computation of eddy currents in strip-wound amorphous cores. The results are compared with a standard finite-element (FE) solution of a test problem. The method is applied to the analysis of an amorphous core in a frequency range up to 1 MHz, with main emphasis on energy loss prediction.
O. Bottauscio, M. Chiampi, F. Fiorillo, A. Manzin
Space and time distribution of magnetic field in 2D magnetizers
Journal Przeglad elektrotechniczny (Electrotechnical review), ISSN 0033-2097, R.81, NR. 5/2005, pp. 8-12.
Different setups for two-dimensional excitation of soft magnetic laminations are investigated by means of a finite element procedure. For any envisaged configuration, the space-time distribution of the generated field is determined and the ensuing 2D magnetic flux behavior in the test lamination, assumed isotropic, is calculated. Two-phase and three-phase supply systems provide similar outcomes in square and circular/hexagonal samples, respectively. However, the latter geometry leads to the highest homogeneity of the induction in the test specimen.
Conference Proceedings
C. Piutti, M. Falda, A. Giardina, M. Borsero, G. Vizio, E. Arri
Calibration of small antennas in a GTEM cell
Proceedings of the 16th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 189-194, Zurich (Switzerland), February 2005 (on cd rom).
The wide diffusion of electrical and electronic equipment creates problems of electromagnetic compatibility and electromagnetic pollution, giving evidence of the importance of electromagnetic field measurements and, consequently, of the calibration of the measuring equipment. This paper describes a calibration method, applicable to small antennas operating in the frequency range from about 10 MHz to 3 GHz. By applying this method the antenna under calibration is placed in a GTEM cell, where an electromagnetic field, previously evaluated with a transfer standard, is generated. The resulting calibration uncertainty is about 1,6 dB (k =2), not so far from the "state of the art" uncertainties.
L. Donadio, M. Zucca, A. Bellini, C. Concari, E. Lorenzani
Time harmonics investigation of stator and rotor currents of a dedicated induction machine
IEMDC IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, pp. 1820-1825, May 2005.
Condition monitoring of electric machines is of increasing importance. The continuous assessment of the machine performance allows to schedule appropriately maintenance operations, thus increasing machine operating life and reducing repair cost. The input current spectrum is a wide spread procedure for non-invasive diagnosis of induction machines. Information on rotor variables are available only by computation, typically by FEM. Experimental results are difficult to achieve: specific sensors must be mounted on the rotor to detect currents or flux density. In this paper a dedicated machine and experimental set-up, developed at IEN, was used, that allows to detect single bar currents through sensors positioned on the rotor bars. So doing it is possible to compute both rotor phase currents and space vector spectra. The main phenomena, that introduce waveform distortion, are briefly recalled and the corresponding spectrum lines for both stator and rotor currents are reported and analyzed in this paper.
A. Bellini, G. Franceschini, C. Tassoni, O. Bottauscio, M. Chiampi
Test-bed system for improved induction machines diagnostics
Proceedings of the SDEMPED 2005 - International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, pp. 89-94, Vienna (Austria), September 2005.
The diagnostic techniques utilizing Motor Current Signature Analysis for induction machines are based on the increase of specific frequencies of the stator current spectrum directly linked to anomalous conditions. In order to achieve a very accurate diagnosis the lot of spectrum lines presents in the currents must be interpreted. This requires the deep knowledge of the machine behavior, which can be acquired only by models that take into account the machine geometry. Many papers in the literature deal with the interpretation of the lines present in stator currents , while it is hard to find indication about cage rotor variables. In this paper the use of a dedicated induction machine with current sensors mounted on the rotor bars allows the acquisition of instantaneous bar currents. At now no specific fault is introduced in the machine, but intrinsic non-idealities introduce harmonic distortion in the machine variables. Rotor instantaneous currents are computed by finite element approach and the results are compared with the experimental ones. Then the FFT algorithm is applied to scalar and complex variables and the results are analyzed with the help of the rotating field approach. Reference is made to synchronous operating conditions in order to address the rotor current components caused by non-idealities.
M. Zucca, P. Ribaldone
Magnetic field mitigation above a double trefoil HV underground power line
Proceedings of Cired Conference, Torino, June 2005.
In the last years the effects on human health as a consequence of the exposure to low frequency (LF) magnetic fields generated by electrical energy transmission, distribution and utilisation systems, were considered by different institutions. Reference levels were indicated in the guidelines issued by the International Commission on Non-Ionising Radiation Protection (ICNIRP) and in the European Council Recommendation of 12 July 1999. Despite the fact that "....measures with regard to electromagnetic fields should afford all Community citizens a high level of protection; provisions by Member States in this area should be based on a commonly agreed framework, so as to contribute to ensuring consistency of protection throughout the Community", national laws provide a non-homogeneous framework. A decree issued in Italy in July 2003 set the new severe limit of 3mT in terms of rms magnetic flux density levels close to new plants. This paper refers to the design of mitigation solutions for a new double trefoil 132 kV underground power line. The study aimed at limiting the magnetic line emissions at one metre above the ground to comply the limit above mentioned. The investigation has been carried out in two steps through models developed at IEN, which employ the "thin shield" technique and are able to manage shields with different characteristics (ferromagnetic, pure conductive or both). The first step focused on the conductor management compensation. It can be shown that in a double tern there are only six independent phase configurations. The difference among them, in terms of environmental magnetic flux density values above the line, is considerable. A particular phase configuration reduces the highest magnetic field density levels more than three times with respect to the others, complying the most severe limit settled in Italy, without the use of shields. The second step concerns the area of the cable junctions. In these case, due to the greater distance between the conductors, the phase management is not sufficient to comply the limit above mentioned. So the use of a suitable pure conductive shield was investigated for the purpose. A detailed design description and the analysis of possible solutions are presented in the paper, where the effect of the linkages, among shield parts, is also discussed.
M. Chiampi, G. Crotti, M. Giordano
Material influence of the support on the stray parameters of coils for reference magnetic field generation
Actes 3ème colloqui Materiaux du genie electriques - MGE2005, pp. 70-71, Lyon (France), October 2005.
Reference magnetic fields for the calibration of time-varying field meters from power frequency up to hundreds of kilohertz are usually generated by Helmholtz coil systems. With the increase of frequency, stray parameters, such as the inter-turn and cable capacitances can affect both the field spatial distribution and the coil constant, which is defined as the ratio between the value of the generated field and the coil input current The paper deals with the design of coils for medium frequency reference magnetic field generation and focuses on the numerical evaluation of the influence of the coil support material on the frequency behaviour of the system.. The coils are modeled by the MTL approach, and the inter-turn capacitances, which are sensibly dependent on the dielectric properties of the support are evaluated through a hybrid Finite Element/Boundary Element method.
M. Borsero, V. Giusio, G. Vizio
Il problema della riferibilità della strumentazione utilizzata nelle misure di compatibilità elettromagnetica e di campi elettromagnetici ambientali
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 10-14, Torino, febbraio 2005.
Per le misurazioni nel campo della compatibilità elettromagnetica (EMC) viene sovente usata strumentazione per la quale non è agevole trovare centri in grado di effettuare tarature accreditate. In questa memoria viene presentato un documento, preparato dagli autori in collaborazione con alcuni ispettori Sinal, per fornire una guida ai laboratori interessati ad un accreditamento nel settore delle prove EMC e della misura dei campi elettromagnetici ambientali, relativamente alle procedure per la taratura, il controllo e la verifica degli strumenti utilizzati. Questi vengono suddivisi in cinque categorie, che comprendono strumenti di base per misure di emissione, strumenti per misure di immunità, reti artificiali e antenne, apparecchiature ausiliarie, strumenti per la misura dei campi elettromagnetici ambientali. Sono fornite indicazioni sulle modalità di esecuzione della taratura, sui parametri degli strumenti che devono essere verificati e sugli intervalli di taratura raccomandati.
G. Basso, M. Borsero, G. Crotti, D. Festa, G. Vizio
L'accreditamento della grandezza "Campo Elettromagnetico" nell'ambito del Piano "Compatibilità Elettromagnetica - Cluster 13" finanziato dal MIUR
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 15-19, Torino, febbraio 2005.
Con il supporto ricevuto dal MIUR nell'ambito del piano "Cluster 13 - Compatibilità Elettromagnetica", è stato realizzato un laboratorio SIT in cui è possibile, per l'alta frequenza, tarare sensori di campo elettrico e magnetico da 100 kHz a 18 GHz con incertezze di misura comprese tra 1 dB e 1,5 dB e sino a valori di campo di 200 V/m. Per quanto riguarda la bassa frequenza il laboratorio sta sviluppando sistemi per tarare sensori di campo magnetico per frequenze da 10 Hz a 100 kHz, con particolare attenzione alla frequenza di 50 Hz, dove le incertezze saranno dell'ordine del 2 - 3 %. Il lavoro descrive come l'obiettivo sia stato raggiunto progettando e costruendo i diversi sistemi di generazione del campo, valutando con attenzione tutti i contributi all'incertezza di misura e infine preparando idonee procedure di misura e di accreditamento SIT. Viene illustrato in particolare il sistema di misura che richiede l'utilizzo di una camera anecoica e che si estende in una gamma di frequenza oggetto per la prima volta di un accreditamento SIT.
E. Arri, M. Borsero, G. Vizio, M. Falda, A. Giardina, C. Piutti
Riferibilità dei misuratori di campo elettromagnetico RF ottenuta con l'impiego di un campione di riferimento
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 24-28, Torino, febbraio 2005.
La crescente diffusione di problemi d'inquinamento elettromagnetico e di compatibilità elettromagnetica sta evidenziando l'importanza assunta dalle misurazioni di campo elettromagnetico e, quindi, dalla taratura della strumentazione relativa. Nella presente memoria è descritto l'utilizzo di una cella GTEM (Gigahertz Transverse ElectroMagnetic cell) per tarare misuratori di campo alle radiofrequenze (RF) da 200 MHz a 3 GHz. Tale cella viene considerata un buon ambiente, alternativo alla camera anecoica, per effettuare le tarature, relativamente compatto e più economico. Non essendo disponibile un metodo rigoroso per prevedere accuratamente il campo all'interno della GTEM, le tarature vengono effettuate per confronto (per sostituzione) con un campione di trasferimento. L'incertezza di misura è valutata in dettaglio e risulta dell'ordine del 20% (k 2), non molto superiore a quella ottenibile in una camera anecoica.
L. Cinnirella, G. Crotti, C. Ruffino, A. Sardi
Taratura di sistemi di riferimento per misure di corrente, integrale di Joule e tensione in laboratori di corto-circuito
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 316-320, Torino, febbraio 2005.
L'esecuzione di prove di corto-circuito richiede la misura di grandezze quali il valore istantaneo ed efficace di corrente, l'integrale di Joule e la tensione. I sistemi di misura, costituiti da trasduttore, amplificatore separatore ed eventualmente integratore, sistemi di acquisizione e elaborazione dati, possono essere tarati per confronto con sistemi di misura di riferimento (SMR). Nel lavoro, dopo una breve descrizione delle caratteristiche dei sistemi di misura di riferimento utilizzati presso lo IEN, vengono analizzate le procedure di taratura e caratterizzazione degli elementi costituenti il sistema, in relazione alle verifiche effettuate sia sui trasduttori, sia sui dispositivi per il trasferimento del segnale; sono inoltre discussi i livelli di riferibilità e illustrati alcuni esempi di taratura relativi a sistemi di misura di corrente e di tensione, tipicamente utilizzati in laboratorio.
A. Sardi, G. Varetto
Metodi di taratura di calibratori di scariche parziali
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 331-336, Torino, febbraio 2005.
Le scariche parziali (SP) sono scariche elettriche localizzate, che interessano solo una parte dell'isolante tra i conduttori deli dispositivi elettrici. Esse si verificano in presenza di difetti e possono costituire una delle cause di alterazione nel tempo degli isolanti attraverso azioni elettriche, chimiche, termiche. La misura di scariche parziali è prevista come prova di accettazione per molte apparecchiature di alta tensione. La riferibilità della strumentazione utilizzata per le misure di SP è assicurata dall'utilizzo di opportuni calibratori in grado di generare impulsi di corrente di carica e cadenza nota. Il presente lavoro analizza, alla luce dell'esperienza maturata presso il laboratorio di Alta Tensione dell'IEN, i metodi utilizzati per la taratura dei calibratori di SP, con particolare attenzione alla valutazione delle grandezze di influenza e ai livelli di incertezza ottenibili.
A. Sardi
Il problema della riferibilità nei nuovi campi della metrologia
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 351-336, Torino, febbraio 2005.
Negli ultimi anni si è manifestata una notevole crescita della richiesta di riferibilità della strumentazione. Il fenomeno è legato a più fattori. Tra i principali si possono citare l'accresciuta attenzione alle tematiche in materia ambientale, la necessità di controllo di processo sia in ambito manifatturiero sia nell'ambito della fornitura di servizi, la diffusione delle misure nel campo delle verifiche di sicurezza, la generalizzata adozione dei sistemi di qualità. Tutti questi fenomeni, uniti all'evoluzione tecnologica nel campo dell'elettronica e delle applicazioni della fisica alla metrologia, hanno portato ad un aumento sia dei campi di misura sia delle tipologie di strumentazione per cui viene richiesta la taratura. Come diretta conseguenza di questo fenomeno si ha che sempre più soggetti, spesso con una limitata conoscenza delle problematiche e delle terminologie tipiche della metrologia si trovano nella necessità di richiedere, oltre al tradizionale servizio di taratura, un servizio di consulenza sulla gestione della strumentazione. Il ruolo di supporto alle richieste di taratura è assegnato per legge al SIT attraverso la rete dei centri accreditati. I centri SIT, in quanto entità a scopo di lucro, sono però portati ad affrontare l'impegno economico della messa a punto di sistemi e procedure di taratura solo nel momento in cui si sia in presenza di un mercato sufficientemente ampio, situazione che si verifica solo quando le apparecchiature e le tecniche di misura hanno raggiunto un sufficiente livello di standardizzazione. In modo analogo l'attività di diffusione della cultura metrologica da parte dei centri SIT non può prendere in considerazione campi di misura non ancora ben standardizzati. L'onere di assicurare la riferibilità della strumentazione nei campi di misura ancora in fase di evoluzione ricade allora sugli istituti di ricerca (Istituti Metrologici Primari e Università). Oltre al contributo all'evoluzione della metrologia, attraverso l'attività di sviluppo di apparecchiature e tecniche di misura, questi enti possono fornire anche un supporto didattico per la diffusione della cultura metrologica.
A. Sardi, G. Varetto, G. Sangalli
Realizzazione di un sistema di misura di componenti armoniche della tensione nel campo 1-35 kV
Atti del Congresso Metrologia e Qualità, pp. 370-373, Torino, febbraio 2005.
L'utilizzo generalizzato di convertitori per l'azionamento di motori elettrici ha acuito i problemi legati alla distorsione della tensione di alimentazione. La presenza di armoniche ad alta frequenza sovrapposte alla tensione di alimentazione può influire sul funzionamento delle apparecchiature connesse alla rete. Nei sistemi di trazione la generazione di armoniche può poi interferire con la trasmissione di comandi alle apparecchiature di segnalazione e di sicurezza. Il presente lavoro illustra la realizzazione di un sistema di misura per alte tensioni basato su di un partitore resistivo/capacitivo e su un registratore digitale ad alta risoluzione, in grado di misurare tensioni continue o alternate con componenti armoniche sovrapposte fino a frequenze dell'ordine del centinaio di kHz. Vengono anche descritte le procedure utilizzate per la caratterizzazione e la taratura del sistema di misura.
M. Borsero, D. Parena, V. Teppati, G. Vizio
Caratterizzazione di celle TEM e GTEM mediante misure TDR con VNA
Atti del GMEE 2005, pp. 7-8, Palermo (Italy), settembre 2005.
In questa memoria si presentano alcuni risultati di misure in riflessione (Time Domain Reflectometry o TDR), realizzate per caratterizzare l'andamento dell'impedenza all'interno di strutture ad onda guidata (celle TEM e GTEM) mediante un analizzatore vettoriale di reti commerciale (VNA), utilizzato in funzionalità Time Domain (TD). Attraverso una valutazione più accurata dell'impedenza nelle sezioni di interesse, è stato possibile ridurre l'incertezza associata al valore del campo di riferimento generato con sistemi che utilizzano tali celle.
G. Crotti, M. Chiampi, D. Giordano
Generazione di campi magnetici di riferimento a media frequenza
Atti del GMEE 2005, pp. 13-14, Palermo (Italy), settembre 2005.
La memoria discute i criteri di progettazione di un sistema per la generazione di campi magnetici di riferimento a media frequenza e descrive un approccio basato sull'utilizzo di un modello numerico, che permette di analizzare, in particolare, gli effetti dei parametri parassiti nella gamma di frequenze di interesse e di prevedere la frequenza limite di utilizzo del sistema stesso.