Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Electrical machines II

03EOONC

A.A. 2021/22

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Ingegneria Elettrica - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 70
Esercitazioni in aula 15
Esercitazioni in laboratorio 15
Tutoraggio 9
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Cavagnino Andrea Professore Ordinario ING-IND/32 70 15 21 0 13
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/32 10 B - Caratterizzanti Ingegneria elettrica
Valutazione CPD 2021/22
2021/22
L'insegnamento presenta agli allievi ingegneri elettrici aspetti di approfondimento concernenti la costruzione, il dimensionamento ed il comportamento dinamico delle principali macchine elettriche (trasformatore, macchine in C.A. a campo rotante e macchina in C.C.). Le attività sono suddivise in due parti: nella prima si intende fornire agli studenti le conoscenze di base e le metodologie per il corretto dimensionamento delle macchine elettriche partendo da specifiche di progetto imposte, nella seconda si propongono modelli e strumenti di calcolo/simulazione per lo studio e l'analisi dei fenomeni transitori che interessano le macchine elettriche nelle loro attuali applicazioni.
Aim of the course is to provide to the electrical engineering students an in-depth knowledge about the construction, design and dynamic behaviors of the main electrical machines (transformer, rotating field AC machines and DC machine). The course is subdivided in two parts: the former will provide to the students the basis and the methodologies to a correct design of the electric machines, starting from assigned specifications; the latter is focused on methods and models for the analyses of the transient phenomena that occur in the modern applications of the electric machines.
Le conoscenze e la capacità di comprensione da acquisire rappresentano un approfondimento della preparazione dello studente nell'ambito delle macchine elettriche, volta in particolare alla progettazione delle macchine e all'analisi del loro comportamento dinamico. Le capacità di applicare conoscenza e comprensione conseguite permetteranno ai laureati magistrali di trattare con adeguato rigore metodologico le problematiche del dimensionamento e della dinamica delle macchine elettriche. In particolare, grazie all'uso degli schemi di calcolo, modelli e simulazioni numeriche proposte durante le lezioni ed esercitazioni, il laureto magistrale sarà in grado di risolvere in modo autonomo problematiche concernenti la modellistica ed il dimensionamento di dispositivi elettromeccanici in genere. Le abilità di sintesi scritta di tematiche complesse, così come le capacità comunicative acquisite dallo studente, stimolate dal docente durante l'insegnamento grazie a domande specifiche (anche valutate durante un colloquio finale - prova orale obbligatoria), garantiranno al laureato magistrale una sua proficua partecipazione a team di lavoro costituiti da persone aventi competenze tecniche e scientifiche diverse.
The acquired knowledge and understanding capabilities represent a deepening of the student's preparation within the electrical machine topics, with respect to the machine design and their behaviors from the dynamic point of view. The applying knowledge and understanding capabilities will allow at the graduate to rigorously approach the problems linked to the design and dynamic phenomena of the electrical machines. In particular, thanks to the proposed calculation algorithms, models and numerical simulations, the graduate will be able to solve the modeling and design of a broad range of electromagnetic devices. The writing synthesis abilities of complex topics and the communication skills of the student, continuously stimulated by the teacher during the classrooms (also evaluated by the teacher during the oral examination), will allow the graduate to usefully participate at professional team constituted by people having different technical and scientific backgrounds.
Per la comprensione degli argomenti trattati, si ritiene necessario che lo studente possieda nozioni di elettrotecnica, elettromagnetismo e aspetti base di meccanica applicata. Tra le precedenze raccomandate si indicano inoltre i concetti relativi al funzionamento delle macchine elettriche in regime stazionario ed elementi teorici di base degli azionamenti elettrici.
The following knowledge are requested in order to understand the presented topics: - Electrical circuit theory - Electric machines (working principles, steady-state operations and theory) - Electric drives (basic) - Fundamentals of applied mechanics (basic)
Parte relativa al dimensionamento elettromeccanico delle macchine elettriche [circa 42 ore]: - Nozioni introduttive e cenni sui materiali con riferimento al loro impiego nelle costruzioni elettromeccaniche [8 ore]. - Costruzione e progetto dei trasformatori [12 ore]. - Avvolgimenti per macchine a corrente alternata [6 ore]. - Costruzione, dimensionamento e progetto di motori asincroni trifase [16 ore]. Parte relativa al comportamento dinamico delle macchine elettriche [circa 36 ore]: - Aspetti generali delle macchine elettriche [6 ore]: convenzioni di segno, formulazioni delle equazioni elettriche e magnetiche, bilancio energetico, macchine a magneti permanenti, modello elettromeccanico generalizzato, effetti della non linearità magnetica sulla coppia. - Macchina a corrente continua [6 ore]: richiami sulle caratteristiche di funzionamento e sui campi di applicazione, modello dinamico lineare della macchina, modelli logici dei convertitori CC/CC e cenni ai principali tipi di azionamento. - Motore asincrono [12 ore]: equazioni elettriche e di concatenamento magnetiche degli avvolgimenti, trasformazione trifase/bifase, trasformazione di rotazione, equazioni di macchina su assi arbitrari, bilancio energetico ed espressione della coppia, modello dinamico del motore, cenni alla modalità di rappresentazione dei fenomeni di saturazione. - Macchina sincrona [12 ore]: equazioni elettriche e magnetiche degli avvolgimenti, trasformazione delle equazioni di macchina su assi di comodo, bilancio energetico ed espressione della coppia, modello dinamico del motore e del generatore, transitorio semplificato del cortocircuito dell'alternatore.
Part course related to the electromagnetic design of the electrical machines [around 42 hours]: - Basic aspects and main properties of materials adopted in the construction of electrical machines [8 hours] - Design and construction of transformers [12 hours] - Windings for AC machines [6 hours] - Design and construction of induction machines [16 hours] Part course concerning the dynamic behaviors of the electric machines [around 36 hours]: - General issues of the electric machines [6 hours]: sign conventions, electric and magnetic equations, power balances, permanent magnet machines, electromagnetic general model, effects of the magnetic not linearity on the torque. - DC Machine [6 hours]: recalls on the operation characteristics and application fields, dynamic linear model of the machine, basic modeling of the typical CC/CC converters and drives. - Induction motors [12 hours]: electric and magnetic equations of the windings, three/two phase transformation, rotation transformation, machine equations related to arbitrary reference frames, power balance and torque equation, dynamic linear model of the machine, notes about the saturation phenomena. - Synchronous machine [12 hours]: electric and magnetic equations for the windings, machine equations referred to synchronous reference frame, power balance and torque equations, dynamic linear model of the synchronous motor and generator. Simplified approach of the alternator short-circuit transient event.
Le lezioni ed esercitazioni dell'insegnamento saranno tenute esclusivamente in italiano. Su richiesta dello studente eventuali consulenze per chiarimenti/approfondimenti possono essere fornite in inglese. Sempre su richiesta dello studente, il testo delle domande della prova scritta potranno essere tradotte in Inglese.
All the lessons and course activities will be held in Italian. On student demand, possible additional explanations of the course topics can be provided in English. Once again, on student demand, the exam questions can be translated in English.
Le due parti dell'insegnamento non saranno necessariamente svolte nella sequenza indicata in precedenza. Esse prevedono, oltre alle lezioni in aula, le seguenti attività di esercitazione. Parte sul dimensionamento elettromeccanico delle macchine elettriche [8 ore]: sono previste due esercitazioni della durata di circa 4 ore ciascuna relativa al calcolo e verifica del trasformatore trifase raffreddato ad olio e del motore asincrono trifase autoventilato. Il procedimento di progetto verrà illustrato passo a passo dal docente svolgendo i calcoli alla lavagna. Parte sul comportamento dinamico delle macchine elettriche [15 ore] Sono previste 10 esercitazioni da 1.5 ore presso i laboratori informatici del Politecnico (LAIB) ed il laboratorio Tommasini del Dipartimento Energia (DENERG). Durante le esercitazioni si applicheranno i metodi e le nozioni fornite nelle lezioni. In particolare, tramite simulazioni al calcolatore si analizzeranno i modelli dinamici delle diverse macchine. All’inizio di ogni esercitazione verrà fornita una breve spiegazione dell’implementazione dei modelli visti a lezione ed alcuni spunti per la corretta interpretazione dei risultati numerici.
The two course parts will not be necessarily carried out in the aforementioned time order. In addition to the lectures, the course program includes exercises and simulations. Part course on the electromagnetic design of the electrical machines [8 hours]: two numerical examples of the duration of about 4 hours each one are scheduled. The two design examples concern the oil-cooled three-phase transformer and the totally enclosed fan cooled induction motor, respectively. The exercises will be solved, step-by-step by the lecturer at the blackboard. Part course on the dynamic behaviors of the electric machines [15 hours]. 10 practical lessons of 1.5 hours each will be held in the computer laboratory (LAIB) of the Politecnico and the Tommasini’s lab of the Energy Department (DENERG). Aim of the practical activities is the use of the methods and models provided during the lessons. In particular, the dynamic models of several electric machines will be analyzed through computer simulations. At the beginning of each practical activities a short explanations of the implemented numerical model will be provided to the students, together with useful hints for a correct interpretation of the numerical results.
A tutti gli studenti iscritti all'insegnamento sarà fornito il materiale didattico predisposto dal docente. Tale materiale, accessibile sul portale della didattica oppure distribuito direttamente in aula, è redatto in italiano e si ritiene esaustivo per la preparazione dell’esame finale. Su richiesta degli studenti, saranno inoltre consigliati eventuali libri e pubblicazioni per approfondimenti su argomenti specifici, eventualmente anche in lingua inglese. Alcuni esempi sono riportati qui di seguito: - A.E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., A. Kusko, 'Macchine elettriche', Frano Angeli Editore - N. Bianchi, S. Bolognani, 'Metodologie di progettazione delle macchine elettriche', CLEUP - J. Pyrhonen, T. Jokinen, V. Hrabovcova, 'Design of rotating electrical machines', John Wiley & Sons
Notes of the lessons and practical activities prepared by the lecturer will be provided to all the students registered to the course. The documentation, available at the Teaching Portal or directly provided in the classroom, is written in Italian and it is considered exhaustive for the preparation of the final exam. On student demand, for in-depth studies, some books and publications on specific topics may be suggested, also in English if needed. Just few examples are listed hereafter: - A.E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., A. Kussko, 'Macchine elettriche', Franco Angeli Editore - N. Bianchi, S. Bolognani, 'Metodologie di progettazione delle macchine elettriche', CLEUP - J. Pyrhonen, T. Jokinen, V. Hrabovcova, 'Design of rotating electrical machines', John Wiley & Sons
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
Exam: Written test; Optional oral exam;
L'esame è costituito da una prova scritta della durata di almeno tre ore. La prova d’esame, oltre a verificare la conoscenza e la comprensione degli argomenti trattati, si pone l’obiettivo di verificare le capacità di sintesi di argomenti complessi in un tempo comunque limitato. Le domande, comprendono elementi descrittivi, ma anche critici che permettono di fare opportuni collegamenti tra le due parti dell'insegnamento. Necessario al superamento dell’esame è un corretto utilizzo della terminologia, delle notazioni matematiche ed una chiara e sintetica esposizione che riporti i collegamenti logici tra gli aspetti considerati. È obbligatoria la prenotazione all’esame tramite il portale della didattica. Allo studente saranno proposte quattro domande relative agli argomenti presentati sia durante le lezioni che le esercitazioni. Delle quattro domande, tutte di tipo aperto, due verteranno sulla parte di insegnamento relativa al dimensionamento elettromeccanico delle macchine elettriche e due sulla parte relativa al loro comportamento dinamico. Lo studente dovrà rispondere alle domande su fogli protocollo, scrivendo in modo dettagliato (ed ordinato!) i concetti e le problematiche che stanno alla base dell’argomento richiesto. Per gli studenti stranieri è ammesso rispondere alle domande in inglese. Durante la prova scritta non si potranno consultare testi e dispense. Inoltre, non è ammesso portare in aula dispositivi multimediali con accesso al web (ad esempio, smartphone, smartwatch e tablet). L’esame è superato se l’elaborato scritto ottiene un voto da 18/30 a 30/30 (lode inclusa), con una soglia minima su ciascuna parte dell'insegnamento di almeno 7/15. Gli studenti prenderanno visione del compito e della relativa valutazione durante un incontro generale la cui data verrà fissata di volta in volta, tipicamente una settimana dopo la prova scritta; la data dell’incontro sarà comunicata agli studenti con messaggi (sms o email) inviati tramite il Portale della Didattica. Durante detto incontro, lo studente che ottiene un voto maggiore o uguale a 25/30 può richiedere un colloquio orale integrativo nel quale il voto dello scritto potrà essere migliorato o confermato, ma anche peggiorato (non sarà garantito il voto ottenuto nella prova scritta).
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Optional oral exam;
The examination is constituted by a written test of the duration of not less than three hours. The exam, in addition to verifying the knowledge and understanding of the topics covered, aims to verify the ability to summarize complex topics in a limited time. The questions include descriptive elements, but also critical ones, that make it possible to do appropriate links between the two course parts. Necessary to pass the exam is a correct use of the terminology, of mathematical notations and a clear and concise presentation that shows the logical links between the aspects considered. The on-line registration to the examination (through the Teaching Portal) is mandatory. Four questions will be proposed to the student; the questions will concern the topics introduced both during the theoretical and practical lessons. Among the four questions, all of the open typology, two questions will concern the course part related to the electromechanical design of electrical machines and the other two the part related to their dynamic behavior. The student must answer to the questions on foolscaps, writing in detailed way (and in an orderly manner!) the concepts and the problems related to the required topic. During the written test, textbooks and notes cannot be consulted. Therefore, it is not possible to bring in the classroom electronic devices having web access (e.g., smartphone, smartwatch and tablet). The examination is passed if the written test gets a mark from 18/30 up to 30/30 (including the laude), with a minimum mark on each part of the course of at least 7/15. The students will take vision of the written examination and its mark during a general meeting typically scheduled a week after the written test; the date of the meeting will be communicated to the students with messages (sms or email) sent through the Teaching Portal. During the aforementioned meeting, the student that gets a mark equal or great than 26/30 can ask for an integrative oral interview in which the mark of the written test can be improved or confirmed, but also worsened (the mark of the written test is not guaranteed).
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell’insegnamento tramite una prova orale obbligatoria della durata di circa due ore, con un minimo di due domande relative a tutti gli argomenti delle lezioni e delle esercitazioni. 1) L'esame orale da remoto sarà via Skype; la connessione deve essere sufficientemente robusta da garantire l’audio ed il video del candidato. In alternativa, su richiesta dello studente, si potrà utilizzare la Virtual Class BBB dal portale della didattica. 2) Lo studente deve TASSATIVAMENTE registrarsi all'esame orale sul portale, comunicando CONTESTUALMENTE per email al docente il suo nome Skype. Nella data ed all’orario stabilito per l’appello, il docente contatterà tutti gli studenti (tramite un gruppo Skype o una Virtual Class) per definire il calendario per sostenere la prova orale. Vista la durata dell’esame sarà necessario programmare prove orali anche nei giorni successivi alla data ufficiale d’appello. In ogni caso la registrazione dell’esame avverrà nel giorno stabilito per l’appello. 3) All'inizio del collegamento sarà richiesto di far vedere la scrivania/stanza in cui verrà sostenuto l'esame tramite webcam. Sarà anche richiesto di ispezionare i fogli che verranno usati per scrivere e di condividere il video del portatile. A valle di dette verifiche e prima di iniziare l'esame, lo studente dovrà inviare al docente una email con una dichiarazione FIRMATA indicando che è solo in stanza e senza l'ausilio di materiali didattici, unitamente ad una copia del documento d'identità. Si suggerisce caldamente di preparare la dichiarazione e la copia del documento prima di iniziare il collegamento. 4) Tramite webcam si dovranno inquadrare i fogli su cui si risponderà alle domande. La posizione migliore è tenere il computer davanti o a fianco dei fogli e piegare il video per inquadrarli. Si chiede gentilmente di scrivere grande e di leggere ciò che si scrive. 5) Indicativamente la durata dell'orale è di DUE ore e ci saranno due o più domande a seconda delle necessità. Sicuramente ci sarà una domanda sulla parte di dinamica (incluse le esercitazioni in Simulink) e una sulla parte di costruzione, con eventuali collegamenti. Può essere richiesto di condividere il video e di aprire il toolbox Simulink per l’implementazione/modifica di schemi visti durante le esercitazioni. 6) L’esame orale è superato se si ottiene un voto da 18/30 a 30/30 (lode inclusa). Al termine dell'esame il docente formalizzerà il voto per email e lo studente dovrà confermare l'accettazione/rifiuto del voto rispondendo IMMEDIATAMENTE all'email.
Exam: Compulsory oral exam;
The final exam aims to verify the acquisition of knowledge and the expected skills through a compulsory oral test with a duration of about two hours, with a minimum of two questions relating to all the topics of the lessons and practical lessons. 1) The oral exam will be remotely via Skype; the connection must be robust enough to guarantee the candidate's audio and video. Alternatively, at the request of the student, the BBB Virtual Class can be used. 2) The student MUST register for the oral exam on the portal, communicating - at the same time - his Skype name by email to the teacher. On the date and at the time established for the exam session, the teacher will contact all the students (via a Skype group or a Virtual Class) to define the timetable for taking the oral exam. Given the duration of the exam, oral tests will also have to be scheduled in the days following the official exam session date. In any case, the registration of the exam will take place on the day established for the exam session. 3) At the beginning of the connection, the candidate will be asked to show via webcam the desk / room where the exam will be taken. At the candidate it will also asked to inspect the sheets that will be used to write and to share the laptop video. After these checks and before starting the oral exam, the student must send the teacher an email with a SIGNED statement indicating that he is alone in the room and without the aid of teaching materials, together with a copy of the identity document. It is highly recommended to prepare the declaration and copy of the document before starting the link. 4) Via webcam the candidate will have to frame the sheets on which you will answer the questions. The best position is to hold the computer in front of or next to the sheets and fold the video to frame them. It is kindly asked to the candidate to write big and to read what you write. 5) Indicatively, the duration of the oral exam is TWO hours and there will be two or more questions as needed. Surely, there will be a question about the electrc machine dynamics part (including the exercises in Simulink) and one about the construction part, with possible links. The candidate may be asked to share the video and to open the Simulink toolbox for the implementation / modification of the schemes seen during the practical lesson. 6) The oral exam is passed if the candidate get a mark from 18/30 to 30/30 (including honors). At the end of the exam, the teacher will formalize the mark by email and the student must confirm acceptance / rejection of the mark by responding IMMEDIATELY to this email.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento tramite una prova orale obbligatoria della durata di circa due ore, con un minimo di due domande relative a tutti gli argomenti delle lezioni e delle esercitazioni. Per l’esame orale in modalità mista si applicano le stesse regole di PRENOTAZIONE, SVOLGIMENTO E REGISTRAZIONE dell’esame in modalità da remoto (vedi quadro ‘Criteri, regole e procedure per l'esame in remoto’). In particolare, lo studente che opterà per l’esame in presenza sarà convocato per via telematica (tramite gruppo Skype o una Virtual Class) il giorno ufficiale dell’appello per la definizione del calendario delle prove orali e, quindi sarà convocato in presenza nell’aula specificatamente assegnata SOLO il giorno dell’esame. Vista la durata dell’esame si garantirà al massimo un esame orale in presenza ed un orale online al giorno. Lo studente che sceglie di sostenere l’esame in presenza potrà rispondere alle domande alla lavagna oppure su fogli scrivendo alla cattedra dell’aula specificatamente assegnata per la sua prova orale. Indicativamente la durata dell'orale è di due ore e ci saranno due o più domande a seconda delle necessità. Sicuramente ci sarà una domanda sulla parte di dinamica (incluse le esercitazioni in Simulink) e una sulla parte di costruzione, con eventuali collegamenti. Si invita lo studente che opterà per l’orale in presenza a portare il proprio PC portatile perché potrà essere richiesto di aprire il toolbox Simulink per l’implementazione/modifica di schemi visti durante le esercitazioni. L’esame orale è superato se si ottiene un voto da 18/30 a 30/30, lode inclusa. Al termine dell'esame il docente formalizzerà il voto per email (anche per l’esame sostenuto in presenza) e lo studente dovrà confermare l'accettazione/rifiuto del voto rispondendo IMMEDIATAMENTE all'email.
Exam: Compulsory oral exam;
The final exam aims to verify the acquisition of knowledge and the expected skills through a compulsory oral test with a duration of about two hours, with a minimum of two questions relating to all the topics of the lessons and practical lessons. For the oral exam in blended mode, the same set of rules for RESERVATION, CONDUCT AND REGISTRATION of the online exam applies (see the ‘Assessment and grading criteria criteria for online exam’). In particular, the student who will opt for the face-to-face exam will be convened electronically (via Skype group or a Virtual Class) on the official day of the exam session for the definition of the oral exam calendar and, therefore, will be summoned in person in the classroom specifically assigned ONLY on the day of the exam. Given the duration of the exam, an oral exam in presence and an online oral exam per day will be guaranteed at most. The student who chooses to take the face-to-face exam can answer the questions on the blackboard or on sheets by writing to the chair in the classroom specifically assigned for his oral exam. Indicatively, the duration of the oral exam is two hours and there will be two or more questions as needed. Surely, there will be a question about the electrc machine dynamics part (including the exercises in Simulink) and one about the construction part, with possible links. Students who opt for the oral in presence are invited to bring their laptop because they may be required to open the Simulink toolbox for the implementation / modification of the schemes seen during the practical lessons. The oral exam is passed if you get a mark from 18/30 to 30/30, including honors. At the end of the exam, the teacher will formalize the vote by email (also for the exam taken in the presence) and the student must confirm acceptance / refuse the vote by responding IMMEDIATELY to the email. The registration of the exam will take place on the day established for the exam session.
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