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Design, optimization and comparison of spoke-type synchronous motor and permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor in home appliance applications
Ni, Shouhui
In recent years, an interesting trend of the design of electrical motors has been the development of rare-earth-free motors or such of reduced rare-earth content with high efficiency and low cost as rare-earth material usually suffers from high cost and unstable supply. Potential candidates include switched reluctance motors, synchronous reluctance motors and interior permanent magnet synchronous motors with ferrite magnets.
In this thesis, research is focused on interior permanent magnet synchronous motors with ferrite magnets. Two types of motors were selected and designed for application in a drum drive for washing machines: the spoke-type synchronous motor and the permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor. The spoke-type synchronous motor can achieve higher flux density in the air gap due to the flux concentrating effects of its structure. The permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor usually render a higher saliency ratio, which means larger difference between the inductances in d- and q-axes leading to an increase of reluctance torque.
An automatic optimization procedure based on parametric finite element model and different optimization algorithms was established in order to perform a fair comparison of both types of motors. The evaluations of performance were based on two typical operating points: one with high torque and low speed and the other one with low torque and high speed. Various constraints have been taken into account by adding penalty functions into the objective function, classified into priority levels labeled with different penalty coefficients. Three optimization algorithms have been considered: a genetic algorithm, the Nelder-Mead method and the quasi-Newton method, representing a stochastic algorithm, a non-derivative based deterministic and a deterministic algorithm with derivative information, respectively. Different configurations formed by combining the named algorithms have been tested and compared. Finally, the combination of a genetic algorithm and the Nelder-Mead method was chosen for further analyses.
Based on the optimization procedure, both of spoke-type synchronous motor and permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor were laid out, and final designs of them have been achieved. For the spoke-type synchronous motor, different rotor layouts have been discussed in aspects of mechanical strength and resilience against demagnetization. The difference between single- and double-layer windings have also been investigated, including the interesting result that the design with double-layer winding has better performance of anti-demagnetization than that with single-layer winding. The effect of an extended rotor stack has also been investigated. Considering the further mechanical issues at high speed caused by larger distance between the two bearings, this design has however not been prosecuted in detail. For the permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor, the design procedure followed the same optimization process. Before manufacturing, the final designs have been double-checked in aspects of mechanical, anti-demagnetization, torque, and thermal performance.
Finally, a test bench was set up. No load, short-circuit, load, and thermal tests have been carried out for both motors. The results validate the optimization procedure and simulations of this thesis. A summary was then given based on the comparison of the results of experiments and simulations.
In den letzten Jahren ist ein interessanter Trend beim Design von Motoren mit hohem Wirkungsgrad und geringen Kosten die Entwicklung von Motoren mit geringem Seltenerd-Anteil und solchen ohne Seltenerdmagnete, da diese Materialien hohe Kosten verursachen und die Versorgungskette zeitweise instabil wurde. Zu den potenziellen Kandidaten zur Lösung des Problems zählen geschaltete Reluktanzmotoren, Synchron-Reluktanzmotoren und Synchronmotoren mit innenliegenden Ferritmagneten.
Diese Arbeit beschreibt eine Auslegung auf Basis des letztgenannten Prinzips. Für das Antriebssystem einer Waschmaschinen-Trommel wurden zwei Motortypen ausgewählt und erforscht, nämlich der Speichen-Synchronmotor und der Permanentmagnet-unterstützte Synchron-Reluktanzmotor. Der Speichen-Synchronmotor kann aufgrund der Flusskonzentrationseffekte der Struktur eine höhere Flussdichte im Luftspalt erreichen. Der Permanentmagnet-unterstützte Synchronmotor hat normalerweise eine stärkere magnetische Unsymmetrie, was einen größeren Unterschied zwischen den Induktivitäten in der d- und q-Achsen bewirkt und so zu einem höheren Reluktanz-Drehmoment führt.
Um einen fairen Vergleich der beiden Motortypen durchführen zu können, wurde ein automatisches Optimierungsverfahren ausgewählt, das auf parametrischen Finite-Elemente-Modellen und verschiedenen Optimierungsalgorithmen basiert. Die Bewertung der Systeme basiert auf zwei typischen Betriebspunkten. Einer davon hat ein höheres Drehmoment und eine niedrigere Drehzahl, während der andere ein niedrigeres Drehmoment und eine höhere Drehzahl hat. Randbedingungen wurden durch Hinzufügen von Straffunktionen zur Zielfunktion berücksichtigt, und anhand von unterschiedlichen Strafkoeffizienten priorisiert. Es wurden drei Optimierungsalgorithmen betrachtet: ein genetischer Algorithmus, die Nelder-Mead-methode und die Quasi-Newton-Methode, die jeweils einen stochastischen, einen deterministischen, aber differentialfreien und einen deterministischen Algorithmus unter Nutzung der Differentiale darstellen. Verschiedene Konfigurationen, die durch Kombinieren verschiedener Algorithmen entstehen, wurden getestet und miteinander verglichen. Schließlich wurde die Kombination des genetischen Algorithmus und Nelder-Mead-methode als endgültige Lösung für weitere Analysen ausgewählt.
Basierend auf diesem Optimierungsverfahren wurden sowohl ein Speichen-Synchronmotor als auch ein Permanentmagnet-unterstützter Synchron-Reluktanzmotor berechnet und endgültige Auslegungen für beide durchgeführt. Für die Speichen-Synchronmotoren wurden verschiedene Rotoranordnungen unter den gegenläufigen Aspekten der mechanischen und der Entmagnetisierungs-Festigkeit bewertet. Berechnungen mit einschichtigen Wicklungen und zweischichtigen Wicklungen zeigen, dass letztere bessere Entmagnetisierungseigenschaften aufweist. Eine Konfiguration mit kürzerer Stator- und längerer Rotor-Blechpaketlänge wurde ebenfalls untersucht. Aufgrund mechanischer Probleme bei hoher Drehzahl, die durch einen größeren Abstand zwischen den beiden Lagern verursacht wurden, wurde diese Struktur bei der endgültigen Konstruktion nicht übernommen. Eine weiteres Design wurde für einen Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor basierend auf einem analogen Optimierungsprozess erarbeitet. Vor der endgültigen Fertigung wurden die endgültigen Auslegungen nochmals hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Entmagnetisierung, Drehmoment und Temperatur überprüft.
Beide Maschinen wurden auf einem Prüfstand untersucht. Es wurden Leerlauf, Kurzschluss und Lastprüfungen sowie je ein Erwärmungslauf durchgeführt. Die Ergebnisse validieren das Optimierungsverfahren und die Simulationen. Auf Basis der Ergebnisse von Experimenten und Simulationen wurde dann eine Zusammenfassung gegeben.
