Design methods for high power density permanent magnet motors and high efficiency induction motors

Abstract

The present thesis undertakes the development of design methods for high power density permanent magnet motors and high efficiency induction motors. Specifically, in the second part of the thesis design methodologies are introduced for three-phase low-speed permanent magnet synchronous motors (PMSMs) that are going to be parts of a direct-drive system at three different applications (namely a wastewater mixer, an in-wheel traction system of a light-duty electric vehicle and a pod propulsion system). For the wastewater mixer, a properly designed and much more efficient PMSM replaces a real-world induction motor - gearbox system. Since three objectives (i.e. high efficiency, mass and cost minimization) are considered, the design approach is based on the solving of an optimization problem, where three different cost functions are employed. The overall adopted scheme incorporates: a) the utilization of analytical equations aiming to reduce the number of the search variables and ensure that the constraints are not violated; b) the execution of an optimizer; and c) the conduction of finite element analysis simulations for the motor’s performance estimation. Also, the effectiveness of three optimization algorithms, namely genetic algorithm (GA), particle swarm optimization (PSO) and grey wolf optimizer (GWO), is investigated with respect to: i) the quality of the provided solutions, ii) the convergence characteristics, iii) the computational cost and iv) the implementation complexity. In the case of the in-wheel PMSM, the proposed method merges the object oriented programming, the artificial intelligence techniques and the computer-aided design technologies in order to give benefit to customized design solutions. For this purpose, a knowledge-based system is built. This is the first time that a knowledge-based system architecture (KBSA) is used to solve an electrical machines design problem. The KBSA contains information and couples an optimization algorithm with a group of if-then rules to reach a reliable solution. Through this process, it is aimed to: a) conclude to promising PMSM structures and ii) explore the maximum achievable power and torque density ratings. A comparison is made between the power/torque density values of the obtained PMSMs with the respective ones of machines installed at drive systems of commercial electric and hybrid electric vehicles. The derived PMSMs are evaluated and compared to each other in terms of efficiency, current demands, cogging torque, torque ripple, harmonic content of the induced phase voltage, torque capability and several other performance features. Moreover, great emphasis is given to the machine’s thermal analysis due to its operation at a very limited space where the heat exchange between the PMSM and the environment is not smooth. A cooling arrangement is necessary to avoid over-temperatures. The comprehensive review of the existing cooling systems reveals that many of the commonly used cooling modes are not fitting solutions for the motor under study due to its very short axial effective length. Thereby, a cooling system, which is placed on the stator’s inner circumference, is developed and analyzed here. Its cooling capacity is evaluated through FEA under different motor’s loading conditions and by exploiting a very detailed thermal model that comprises the shell, the rim and the tire, while simultaneously takes into consideration the prevailing temperature and pressure conditions. The cooling channel’s design and the coolant’s choice are justified and commented. Additionally, an approach is suggested toward the modeling of the coolant’s heating and the re-estimation of the heat sources, materials’ thermal conductivities and convection forced liquid coefficient according to the temperature results. Finally, numerous investigations are carried out concerning the impact of the coolant’s flow rate and inlet temperature on the cooling system’s efficiency and motor’s temperature distribution. For the pod propulsion PMSMs, a generic multi-criteria design method is combined with an optimization procedure so as to compose an effective and complete methodology. In a first step, the ship’s propeller is designed and optimized. Its performance is determined through OpenProp software and after that the propulsion motor’s operational characteristics are specified based upon the propeller’s power and torque profile. Next, plenty constraints, imposed by the application, are clarified and considered. Then, the multi-criteria design approach focuses on the improvement of motor’s power density and fault-tolerance capability. To make this happen, the proper winding type is chosen and global selection strategies for the poles/slots combination and machine’s airgap diameter to axial length ratio are introduced and applied. The effect of the above parameters on PMSM’s efficiency, power factor, winding self-inductance, cost and magnets mass is demonstrated through the graphical feedback of an implemented here design tool. The design tool has a main routine and few sub-routines. The last ones deal with the calculation of the stator teeth and permanent magnets dimensions. Special attention is devoted to the magnets protection against reverse fields and the restriction of the current amplitude under faulty conditions. Through the post-processing analysis of the results valuable observations are made and directions are provided that could be useful to azimuth thruster designers and manufacturers. Then, elimination criteria are set to acquire PMSMs that attain a more “balanced” performance. Although the final designs gather the desired attributes, they are further optimized regarding torque ripple and losses by using the symbiotic search organisms (SOS) algorithm. Furthermore, a design methodology is introduced in the third part of the thesis for the enhancement of capacitor-run single-phase induction motors (SPIMs) efficiency. The typical efficiency ratings of the SPIMs barely exceed 78% (even for motors with output power equal to or higher than 1.0 HP). Such values do not comply with the latest international efficiency standards for electric motors and the industrial trends. The regulations and the new efficiency classes set much higher minimum efficiency requirements. The so far research works have not contributed to the efficiency improvement without affecting negatively the motor’s starting torque. This issue is addressed here by following a sequence of steps. At first, an alternative approach is proposed for the selection of the SPIM’s basic dimensions. It takes into account the dimensions of the commercial frames (regulated by the IEC-60072/1 and ANSI/NEMA MGI-2011 standards) and results to topologies with much larger axial effective length compared to the corresponding one of the classical design methodology. Next, a sensitivity analysis is performed for capacitor-run SPIMs with squirrel-cage rotor aiming to highlight the impact of: a) stator/rotor slots combination, b) squirrel-cage material, c) run-capacitor value and d) rotor bar’s geometrical parameters on the motor’s efficiency, power factor, phase shift between the currents of the main and auxiliary winding, starting torque, starting current, breakdown torque, slip and net total mass. By exploiting the findings of this analysis, another investigation is made afterwards by varying simultaneously the rotor bar’s cross-sectional area, run-capacitor value and auxiliary to main winding turns ratio. Through this step and the assessment of the resulted SPIMs, the mechanisms that affect the motor’s efficiency and starting torque capability are revealed. It is clear that the enlargement of the motor’s active axial length along with the other recommendations given here are beneficial for the considered objective. Under the proper conditions (i.e. appropriate choice of rotor bar’s cross-sectional area, run-capacitor value and turns ratio value) the satisfactory starting performance is combined with efficiency at least equal to or even higher than that of IE3 (premium efficiency) efficiency class. The developed SPIM design methodology limits substantially the search space of the crucial design parameters and declines the problem’s complexity and computational time. It relies on low-cost solutions/modifications, which will have minimal impact on manufacturers. It effectiveness is validated through its application to capacitor-run SPIMs with different output power ratings and specifications. Next, the method’s generalization is proven through its application to SPIMs with: i) various bar shapes and ii) squirrel-cage made of aluminum and magnesium. At the first case, a thorough comparison is made among the different structures and conclusions, not found elsewhere, are drawn. At the second case, the results indicate that SPIMs with premium efficiency derive also when the aluminum and magnesium are utilized instead of copper.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη μεθόδων σχεδιασμού σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών (ΣΚΜΜ) υψηλής πυκνότητας ισχύος και επαγωγικών κινητήρων (ΕΚ) υψηλής απόδοσης. Συγκεκριμένα, στο δεύτερο μέρος της διατριβής προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού για τριφασικούς ΣΚΜΜ χαμηλών στροφών, οι οποίοι συμμετέχουν σε ένα σύστημα άμεσης μετάδοσης κίνησης που θα χρησιμοποιηθεί σε τρεις διαφορετικές εφαρμογές (για την κίνηση αναδευτήρα σε μονάδα επεξεργασίας λυμάτων, σε σύστημα έλξης τοποθετημένο εντός του τροχού ενός ηλεκτρικού οχήματος και σε αζιμουθιακό σύστημα πρόωσης πλοίου τύπου pod). Στην περίπτωση του αναδευτήρα λυμάτων ένας κατάλληλα σχεδιασμένος και πιο αποδοτικός ΣΚΜΜ αντικαθιστά ένα πραγματικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από έναν επαγωγικό κινητήρα και ένα κιβώτιο ταχυτήτων. Καθώς τίθενται τρεις στόχοι (δηλαδή υψηλή απόδοση, ελαχιστοποίηση μάζας και ελαχιστοποίηση κόστους), η μέθοδος σχεδιασμού βασίζεται στην επίλυση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης, όπου τρεις διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις εξετάζονται. Η συνολική προσέγγιση σχεδιασμού περιλαμβάνει: α) τη χρήση αναλυτικών εξισώσεων με στόχο τη μείωση του αριθμού των μεταβλητών αναζήτησης και τη διασφάλιση της μη παραβίασης των περιορισμών, β) την εκτέλεση ενός αλγόριθμου βελτιστοποίησης και γ) την πραγματοποίηση προσομοιώσεων με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων για τον προσδιορισμό της λειτουργίας του κινητήρα. Επίσης, διερευνάται η αποτελεσματικότητα τριών αλγόριθμων βελτιστοποίησης (γενετικός αλγόριθμος, αλγόριθμος βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων και αλγόριθμος βελτιστοποίησης των γκρίζων λύκων) όσον αφορά: α) στην ποιότητα των λύσεων, β) στα χαρακτηριστικά σύγκλισης, γ) στο υπολογιστικό κόστος και δ) στην πολυπλοκότητα υλοποίησης. Στην περίπτωση του ΣΚΜΜ που αποτελεί μέρος του συστήματος άμεσης μετάδοσης κίνησης ενός ηλεκτρικού οχήματος, η προτεινόμενη μέθοδος σχεδιασμού συνδυάζει τον αντικειμενοστραφή προγραμματισμό, τις τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης και την τεχνολογία σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή ώστε να προτείνει εξατομικευμένες λύσεις. Για τον σκοπό αυτό, δημιουργείται η αρχιτεκτονική ενός συστήματος βασισμένο στη γνώση. Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλήματος σχεδιασμού ηλεκτρικών μηχανών. Το σύστημα αυτό περιέχει πληροφορίες και συνδυάζει έναν αλγόριθμο βελτιστοποίησης και μία ομάδα κανόνων για τον προσδιορισμό μίας αξιόπιστης λύσης. Μέσω αυτής της διαδικασίας επιδιώκεται: α) η δημιουργία γεωμετριών ΣΚΜΜ που παρουσιάζουν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά λειτουργίας και β) η διερεύνηση των μέγιστων δυνατών τιμών για την πυκνότητα ισχύος και πυκνότητα ροπής του υπό μελέτη κινητήρα. Γίνεται σύγκριση μεταξύ των τιμών που επιτυγχάνονται μέσω της διαδικασίας σχεδιασμού με τις αντίστοιχες τιμές που συναντώνται σε ηλεκτρικούς κινητήρες που έχουν ήδη εγκατασταθεί σε συστήματα κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων και υβριδικών οχημάτων. Οι τελικές τοπολογίες των ΣΚΜΜ αξιολογούνται και συγκρίνονται μεταξύ τους ως προς την απόδοση, τις απαιτήσεις ρεύματος, τη ροπή ευθυγράμμισης, την κυμάτωση ροπής, το αρμονικό περιεχόμενο της φασικής επαγόμενης τάσης, την ικανότητα παροχής ροπής και άλλα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, δίνεται έμφαση στη θερμική ανάλυση της μηχανής εξαιτίας της λειτουργίας σε πολύ περιορισμένο χώρο όπου η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του ΣΚΜΜ και του περιβάλλοντος δεν είναι ομαλή. Η εγκατάσταση ενός συστήματος ψύξης είναι απαραίτητη για την αποφυγή ανάπτυξης υπερβολικά υψηλών τιμών θερμοκρασίας. Η μελέτη των ήδη προτεινόμενων συστημάτων ψύξης αποκαλύπτει ότι πολλές από τις διαθέσιμες διατάξεις δεν είναι κατάλληλες για τον ΣΚΜΜ που μελετάται εδώ εξαιτίας του πολύ μικρού αξονικού μήκους του. Συνεπώς, αναλύεται και μελετάται ένα σύστημα ψύξης που τοποθετείται στην εσωτερική περιφέρεια του στάτη. Η ικανότητα ψύξης του συστήματος αυτού αξιολογείται μέσω της ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτισης του κινητήρα και χρησιμοποιώντας ένα πολύ λεπτομερές θερμικό μοντέλο που περιλαμβάνει το κέλυφος, τη ζάντα και το ελαστικό, ενώ ταυτόχρονα λαμβάνει υπόψη του τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που επικρατούν. Ο σχεδιασμός του καναλιού ψύξης και η επιλογή του ψυκτικού μέσου αναλύονται και σχολιάζονται. Επιπρόσθετα, προτείνεται προσέγγιση για τη μοντελοποίηση της θέρμανσης του ψυκτικού μέσου και τον επαναπροσδιορισμό των πηγών θερμότητας, της θερμικής αγωγιμότητας των υλικών και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του ρευστού σύμφωνα με τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης. Εν τέλει, πραγματοποιείται πλήθος διερευνήσεων σχετικά με την επίδραση του ρυθμού ροής του ψυκτικού μέσου και της θερμοκρασίας εισόδου του στην απόδοση του συστήματος ψύξης και την κατανομή της θερμοκρασίας στον κινητήρα. Για τον σχεδιασμό του ΣΚΜΜ στην περίπτωση ενός αζιμουθιακού συστήματος ψύξης τύπου pod, μία γενική πολυ-κριτηριακή προσέγγιση σχεδίασης συνδυάζεται με μία μέθοδο βελτιστοποίησης ώστε να συνθέσουν μία ολοκληρωμένη και αποτελεσματική μεθοδολογία. Αρχικά, η προπέλα του πλοίου σχεδιάζεται και βελτιστοποιείται. Η λειτουργία της προπέλας προσδιορίζεται μέσω του λογισμικού OpenProp και στη συνέχεια τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα καθορίζονται από το προφίλ ισχύος-ταχύτητας και ροπής-ταχύτητας της προπέλας. Στη συνέχεια, πολλοί περιορισμοί που επιβάλλονται από την εφαρμογή διευκρινίζονται και ενσωματώνονται. Η πολυ-κριτηριακή προσέγγιση σχεδιασμού επικεντρώνεται στην αύξηση της πυκνότητας ισχύος του ΣΚΜΜ και στη βελτίωση της ικανότητας ανοχής του σε σφάλματα. Για να επιτευχθούν τα ανωτέρω, επιλέγεται ο κατάλληλος τύπος τυλίγματος του στάτη και προτείνονται και εφαρμόζονται στρατηγικές για την κατάλληλη επιλογή: α) του συνδυασμού πόλων/αυλακιών και β) του λόγου της διαμέτρου του κινητήρα προς το αξονικό μήκος του. Η επίδραση των παραπάνω παραμέτρων στην απόδοση, τον συντελεστή ισχύος, την αυτεπαγωγή του τυλίγματος, το κόστος και τη μάζα των μαγνητών αποτυπώνεται με τη βοήθεια ενός εργαλείου σχεδίασης που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Το εργαλείο αυτό περιλαμβάνει μία κύρια ρουτίνα και μερικές υπο-ρουτίνες. Ο υπολογισμός των διαστάσεων των δοντιών του στάτη και των διαστάσεων των μόνιμων μαγνητών πραγματοποιείται μέσω των υπο-ρουτινών. Ιδιαίτερη προσοχή παρέχεται στην αποτροπή της απομαγνήτισης των μαγνητών και τον περιορισμό του πλάτους του ρεύματος υπό συνθήκες σφάλματος. Μέσω της μετα-επεξεργασίας των αποτελεσμάτων καταγράφονται πολύτιμες παρατηρήσεις και παρέχονται οδηγίες που θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες για τους σχεδιαστές και κατασκευαστές αζιμουθιακών συστημάτων πρόωσης. Στη συνέχεια, καθορίζονται κριτήρια ώστε ο ΣΚΜΜ να αποκτήσει μία πιο "ισορροπημένη" λειτουργία. Παρόλο που οι προτεινόμενες τελικές διαμορφώσεις ΣΚΜΜ παρουσιάζουν το σύνολο των επιθυμητών χαρακτηριστικών, βελτιστοποιούνται περαιτέρω όσον αφορά στην ελαχιστοποίηση των απωλειών και της κυμάτωσης της ροπής χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο των συμβιωτικών οργανισμών. Στο τρίτο μέρος της διατριβής εισάγεται μεθοδολογία σχεδιασμού με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης μονοφασικών επαγωγικών κινητήρων (ΕΚ) με πυκνωτή μόνιμης λειτουργίας. Οι τυπικές τιμές απόδοσης των μονοφασικών ΕΚ δεν είναι υψηλότερες από 78% (ακόμη και όταν η ονομαστική ισχύ εξόδου του κινητήρα είναι ίση ή μεγαλύτερη από 1.0 HP). Οι τιμές αυτές δεν συνάδουν με τα πρόσφατα πρότυπα απόδοσης για τους ηλεκτρικούς κινητήρες και τις βιομηχανικές τάσεις. Οι νέες κλάσεις απόδοσης επιβάλλουν σημαντικά υψηλότερες απαιτήσεις ελάχιστης απόδοσης. Οι μέχρι τώρα ερευνητικές προσπάθειας δεν έχουν συμβάλει στη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα χωρίς να επηρεαστεί αρνητικά η ροπή εκκίνησης του. Αυτό το ζήτημα αντιμετωπίζεται εδώ ακολουθώντας τα παρακάτω βήματα. Αρχικά, προτείνεται μία εναλλακτική προσέγγιση για την επιλογή των βασικών διαστάσεων του κινητήρα. Η προσέγγιση αυτή λαμβάνει υπόψη της τις διαστάσεις των εμπορικά διαθέσιμων κελυφών (καθορίζονται από τα πρότυπα IEC-60072/1 και ANSI/NEMA MGI-2011) και καταλήγει σε μία τοπολογία με πολύ μεγαλύτερο αξονικό μήκος σε σχέση με το αντίστοιχο της κλασικής μεθοδολογίας σχεδιασμού. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μελέτη ευαισθησίας για την αποτύπωση της επίδρασης: α) του συνδυασμού του αριθμού των αυλακιών στάτη/ράβδων δρομέα, β) του υλικού του βραχυκυκλωμένου κλωβού του δρομέα, γ) της τιμής της χωρητικότητας του πυκνωτή και δ) των γεωμετρικών παραμέτρων της ράβδου του δρομέα στην απόδοση, τον συντελεστή ισχύος, τη διαφορά φάσης ανάμεσα στα ρεύματα του κύριου και του βοηθητικού τυλίγματος, τη ροπή εκκίνησης, το ρεύμα εκκίνησης, την ολίσθηση και τη συνολική μάζα του κινητήρα. Αξιοποιώντας τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης, πραγματοποιείται μία νέα διερεύνηση μεταβάλλοντας ταυτόχρονα την επιφάνεια της διατομής της ράβδου του δρομέα, την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή και τον λόγο των σπειρών του κύριου προς το βοηθητικό τύλιγμα. Μέσω αυτού του βήματος και την αξιολόγηση των τοπολογιών που προκύπτουν, αποκαλύπτονται οι μηχανισμοί που επηρεάζουν την απόδοση και τη ροπή εκκίνησης του ΕΚ. Είναι σαφές ότι η αύξηση του αξονικού μήκους του ΕΚ σε συνδυασμό με τις κατευθύνσεις που δίνονται εδώ σχετικά με την επιλογή των λοιπών γεωμετρικών χαρακτηριστικών είναι ευεργετική για την επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες (δηλαδή ορθή επιλογή του εμβαδού της διατομής της ράβδου, της τιμής της χωρητικότητας του πυκνωτή και του λόγου των σπειρών), η ικανοποιητική ροπή εκκίνησης συνδυάζεται με απόδοση τουλάχιστον ίση ή υψηλότερη από την ελάχιστη που επιβάλει η κλάση απόδοσης IE3. Η μεθοδολογία σχεδιασμού που αναπτύσσεται περιορίζει σημαντικά το εύρος αναζήτησης των κρίσιμων παραμέτρων σχεδιασμού και μειώνει την πολυπλοκότητα του προβλήματος και τον υπολογιστικό χρόνο επίλυσης του. Βασίζεται σε λύσεις/τροποποιήσεις χαμηλού κόστους, οι οποίες θα έχουν ελάχιστο αντίκτυπο στους κατασκευαστές. Η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας σχεδιασμού επαληθεύεται μέσω της εφαρμογής της σε μονοφασικούς ΕΚ με διαφορετική ισχύ εξόδου και προδιαγραφές. Τέλος, η γενίκευση της μεθόδου αποδεικνύεται μέσω της εφαρμογής της σε κινητήρες με: α) διαφορετικό σχήμα ράβδου και β) κλωβό του δρομέα κατασκευασμένο από αλουμίνιο και μαγνήσιο. Στην πρώτη περίπτωση πραγματοποιείται λεπτομερής σύγκριση μεταξύ των διάφορων τοπολογιών που έχουν προκύψει και εξάγονται συμπεράσματα που δεν περιέχονται στη διαθέσιμη βιβλιογραφία. Στη δεύτερη περίπτωση, τα αποτελέσματα της σύγκρισης αποδεικνύουν ότι μονοφασικοί ΕΚ με την επιθυμητή απόδοση μπορούν να προκύψουν και όταν χρησιμοποιείται αλουμίνιο και μαγνήσιο αντί του χαλκού για τον κλωβό του δρομέα.