Master's Thesis

Finite Element Analysis of an Asynchronous Machine

Final Thesis 3.32 MB

Author of thesis: Ing. Petr Jiroušek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Světlík

Reviewer: doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the electromagnetic and thermal analysis of an asynchronous motor. In the first part, the principle of AC electrical machines is discussed; the work focuses on different types and design arrangements of asynchronous and synchronous machines. The second part deals with the finite element method of computation. It explains the calculation procedure and presents a description of the basic mathematical solution, along with an introduction to programs utilizing FEM. The next chapter is devoted to the description of the creation of the asynchronous motor model in the Ansys Maxwell software. The fourth chapter focuses on the implementation of a thermal model created using the thermal network method and describes its configuration. The thesis documents the procedure of model creation and subsequent setup. Within the penultimate chapter, a computational algorithm in Python is presented, which includes the implementation of a thermal network that refines the calculation. The final chapter is devoted to the analysis and discussion of the obtained results.

Keywords:

induction motor, finite element method, squirrel cage, Ansys Maxwell, lumped-parameter thermal network method

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval diplomovou práci na téma Analýza asynchronního stroje metodou konečných prvků. Student popsal nastavení simulace. Následně se student věnoval interpretaci výsledků simulace v jmenovitém bodě. Student taktéž prezentoval vypočítané teploty ve stroji a skript pro ovládání výpočtu. Student odpověděl na otázky oponenta. Student taktéž dokázal odpovědět na otázky komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (MPC-SVE)

Composition of Committee

Ing. Petr Procházka, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Valenta, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Knobloch, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Martiš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (předseda)

Supervisor’s report
Ing. Martin Světlík

Student Bc. Petr Jiroušek zpracoval diplomovou práci na téma „Analýza asynchronního stroje metodou konečných prvků“. V úvodní části provedl kategorizaci elektrických točivých strojů, na kterou navázal popisem metody konečných prvků. Tuto metodu následně využil při elektromagnetické analýze vybraného asynchronního stroje. Stroj byl modelován v prostředí Ansys Maxwell, přičemž pro automatizaci výpočtů, změnu parametrů modelu a vyhodnocení dosažených výsledků vytvořil program v jazyce Python. Vyvinutý elektromagnetický model dále rozšířil o tepelnou analýzu založenou na analytické tepelné síti, která byla rovněž implementována v jazyce Python. Výsledkem práce je komplexní model asynchronního stroje zohledňující jeho elektromagnetické i tepelné chování, ovládaný prostřednictvím skriptů v jazyce Python.

Student práci pravidelně konzultoval a při jejím řešení postupoval samostatně. Prokázal schopnost efektivně využívat programovací jazyk Python pro automatizaci výpočtů, zpracování výsledků i propojení s programovým prostředím Ansys Maxwell.

Z hlediska kvality zpracování, odborné úrovně i dosažených výsledků vykazuje předložená diplomová práce velmi dobrou úroveň a splňuje požadavky kladené na diplomové práce. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Student se zabýval elektromagnetickou a tepelnou analýzou asynchronního motoru. První dvě kapitoly tvoří na 16 stranách teoretický úvod práce, popisují konstrukci a principy funkce asynchronních a synchronních strojů, dále pak podstatu metody konečných prvků. Následující kapitoly na asi 25 stranách popisují vytvořený elektromagnetický model v programu Ansys Maxwell, tepelný model sestavený pomocí metody tepelných sítí, navržený skript pro automatizované řízení simulací a dosažené výsledky, včetně vyhodnocení.
Autor spatřuje těžiště své práce ve vytvoření automatizovaného iteračního výpočtu a propojení elektromagnetického 2D modelu s tepelným modelem založeným na metodě tepelné sítě. Přínosem má být dosažení vyšší přesnosti výpočtu a zrychlení celého procesu výpočtu oproti manuálnímu přenášení dat. Z popisu modelů a získaných výsledků vyplývá, že bylo dosaženo funkčního propojeného modelu, což bylo hlavním cílem práce. Při verifikaci modelu trochu postrádám srovnání s měřením. Autor toto navrhuje jako další krok po výrobě laboratorního vzorku motoru, nicméně se domnívám, že pro ověření modelu mohl být použit nějaký v laboratoři dostupný motor. Vzhledem k avizovanému zvýšení přesnosti by bylo vhodné uvést srovnání výsledků elektromagnetického modelu s rovnoměrně rozloženou odhadovanou teplotou a výsledků navrženého propojeného tepelně elektromagnetického výpočtu/modelu. Na druhou stranu je nutné zmínit, že autor se zabýval hned třemi oblastmi najednou – elektromagnetickým modelem pomocí MKP, tepelným modelem pomocí metody tepelné sítě, programováním automatizovaného výpočtu v jazyce Python.
Práce je logicky strukturovaná, přehledná, obsahuje řadu odkazů na literaturu. Překlepů a nepřesností není mnoho (např. 2p standardně značí počet pólů, nikoliv pólových dvojic; účinnost 0,759 %).
Zadání diplomové práce bylo úspěšně splněno. Práce má velmi dobrou úroveň a doporučuji ji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Str.24 - Mohl byste srovnat obvyklou účinnost a momentovou hustotu u strojů asynchronních a synchronních reluktančních?
  2. Str. 45 – Krok simulace vedoucí na 100 bodů za periodu považuji spíš za hraniční hodnotu. Pro přesnější výpočet doporučuji krok kratší. Zkoušel jste srovnat výsledky při 100 a např. 200 krocích na periodu?
  3. Str. 46 - Není vhodnější vypočítat činný příkon z okamžitých hodnot u, i? Jak byl zjištěn účiník (rovnice 6.4)?
  4. Str. 49 – Jakým parametrem byste mohl kvantifikovat, nakolik se průběh fázových proudů přibližuje ideálnímu sinusovému?
  5. Mohl byste srovnat výsledky elektromagnetického modelu s rovnoměrně rozloženou odhadovanou teplotou a výsledky navrženého propojeného tepelně elektromagnetického výpočtu/modelu?
Points proposed by reviewer: 88

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová