Advanced design methodology for permanent magnet synchronous machines in power applications

Abstract

Most of the world electrical energy is consumed by electric motors, and then, the improvement in their performance leads to essential savings in the global energy consumption, required to reduce the CO2 emissions. Actually, the policies of governments and institutions are becoming more demanding and the manufacturers are forced to offer more and more optimized products. Moreover, many applications are increasingly demanding high performance in terms of power density, reliability or dynamic response, as in the case of electric vehicle, wind power generation or railway traction. The high energetic content of neodymium magnets causes that the permanent magnet machines (PMSM) are the more attractive option with respect to power density. In addition, thanks to the almost complete elimination of the rotor losses they are the most energetically efficient machines. The PMSM design requires of a multiphysical approach since it comprises electric, magnetic and thermal aspects. In this work, a comprehensive review of the technical literature regarding these machines has been done, and some areas for improvement have been found. Firstly, it is common that the procedure starts from a quite defined machine and just an optimization of a specific part is realized. Moreover, excessive dependence on designer’s experience and knowhow is observed, without giving clear instructions for taking design decisions. Finally, excessive dependence on time consuming FEM models is found. Hence, the main objective of this thesis is to develop and propose an advanced design methodology for PMSM design, characterized by being clear and complete, considering whole the design process and giving criteria and tools for taking decisions which lead to an optimum choice of the final solution. A PMSM design methodology has been proposed that enables the evaluation of large amounts of configurations in an automatic manner, easing to the designer the process of taking the final design decision. To implement this methodology, several tools have been developed and explained in detail: electromagnetic models coupled to thermal models and lumped parameter electromagnetic models. Some important modifications were done in the thermal models taken as a reference in order to consider different cooling conditions. In addition, a basis permeance network model was adapted to the selected machine topology and it was used to demonstrate its suitability to be used in combination with Frozen Permeability technique. Following the proposed design methodology, a 75 kW PMSM prototype was designed and validated at the IK4‐IKERLAN medium voltage laboratory. The obtained results have validated both the proposed design methodology and the developed and employed tools.

La mayor parte de la energía eléctrica mundial es consumida en motores eléctricos, por lo que la mejora de sus prestaciones conduce a ahorros en el consumo energético esenciales si se quieren reducir las emisiones de CO2. De hecho, las políticas de gobiernos y asociaciones cada vez son más exigentes, y los diseñadores se ven forzados a lanzar productos cada vez más optimizados. Además, cada vez hay más aplicaciones que son muy exigentes en términos de densidad de potencia, fiabilidad o prestaciones dinámicas, como son el vehículo eléctrico, la generación eólica o la tracción ferroviaria. El altísimo contenido energético de los imanes de neodimio provoca que las máquinas imanes permanentes (PMSM) sean las más atractivas en términos de densidad de potencia. Además, debido a la casi total eliminación de pérdidas en el rotor se convierten en las máquinas más eficientes energéticamente. El diseño de una PMSM requiere de un enfoque multidisciplinar, ya que engloba aspectos eléctricos, magnéticos y térmicos. En este trabajo, se ha realizado una revisión exhaustiva de la literatura técnica publicada hasta la fecha en relación con el diseño de estas máquinas, y se han encontrado ciertos puntos de mejora. En primer lugar, muchas veces se parte de un diseño bastante definido y se optimiza una parte concreta del mismo. Además, se aprecia excesiva dependencia de la experiencia y knowhow del diseñador, sin establecer pautas claras para la toma de decisiones de diseño. Finalmente, dependen excesivamente del temporalmente costoso FEM. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología avanzada de diseño de PMSMs que sea clara y completa, abarcando todo el proceso de diseño y aportando criterios y herramientas para la toma de decisiones que conduzcan a una elección óptima de la solución final. Se ha propuesto una metodología de diseño que permite la evaluación de gran cantidad de configuraciones de PMSM de forma automática, facilitando la decisión de diseño final por parte del diseñador. Para la implementación de esta metodología, diversas herramientas han tenido que ser desarrolladas y son explicadas en detalle: modelos analíticos electromagnéticos acoplados con modelos térmicos, y modelos electromagnéticos de parámetros concentrados. Importantes modificaciones fueron realizadas sobre los modelos térmicos adoptados para considerar diferentes refrigeraciones. Además, el circuito electromagnético de parámetros concentrados fue adaptado a la topología seleccionada y demostró su validez para ser utilizado en combinación con la técnica de Frozen Permeability. Siguiendo la metodología propuesta, se ha diseñado y fabricado un prototipo de 75 kW y se ha realizado la validación experimental en el laboratorio de media tensión de IK4‐IKERLAN. Los resultados obtenidos han servido para validar tanto la metodología de diseño como las herramientas empleadas en la misma.

Munduko energia elektrikoaren zatirik handiena motor elektrikoetan kontsumitzen da, eta, ondorioz, prestazioak hobetzeak lagundu egiten du kontsumo energetikoan funtsezko aurrezpenak egiten, CO2 igorpenak murriztu nahi badira. Berez, gobernuen eta elkarteen eskakizunak gero eta zorrotzagoak dira, eta diseinatzaileak produktu gero eta optimizatuak atera beharrean daude. Gainera, gero eta aplikazio gehiago daude zorroztasun handia eskatzen dutenak potentzi dentsitateari, fidagarritasunari edo prestazio dinamikoei dagokienez, esaterako, ibilgailu elektrikoan, sorkuntza eolikoan edo tren trakzioan. Neodimiozko imanen eduki energetiko itzelaren ondorioz, iman makina iraunkorrak (PMSM) dira erakargarrienak potentzi dentsitateari dagokionez. Gainera, errotorearen galerak ia guztiz deuseztatzen direnez, energetikoki makinarik eraginkorrenak dira. PMSM bat diseinatzeko diziplina askoko ikuspegia behar da, alderdi elektrikoak, magnetikoak eta termikoak hartzen baititu bere baitan. Lan honetan orain arte honelako makinen diseinuari buruz argitaratutako literatura teknikoaren azterketa zehatza egin da, eta hobetzeko hainbat puntu aurkitu dira. Lehenik eta behin, askotan, abiapuntua nahiko definituta dagoen diseinu bat izaten da, eta egiten dena da horren zati jakin bat optimizatu. Gainera, gehiegizko mendekotasuna egoten da diseinatzailearen esperientzia eta knowhow‐arekiko, diseinuaren inguruko erabakiak hartzeko jarraibide argiak ezarri gabe. Azkenik, mendekotasun handia dago FEMek behin‐behinean duen kostu handiarekiko. Horrenbestez, tesiaren helburu nagusia da PMSMak diseinatzeko metodologia aurreratu bat garatzea, argia eta osatua, diseinuaren prozesu osoa hartuko duena, eta erabakiak hartzeko irizpideak eta tresnak eskainiko dituena, amaierako soluziorik onena aukeratu ahal izateko. Diseinurako proposatu den metodologiarekin PMSMko konfigurazio kopuru handi bat ebaluatu daiteke automatikoki, diseinatzaileari amaierako diseinua erabakitzen laguntzeko. Metodologia inplementatzeko, hainbat tresna garatu behar izan dira, eta horiek zehatz esplikatzen dira: eredu analitiko elektromagnetikoak, eredu termikoekin uztartuta, eta parametro kontzentratuen bidezko eredu elektromagnetikoak. Hautatutako eredu termikoetan aldaketa garrantzitsuak egin behar izan ziren, hozkuntza desberdinak lantzeko. Horrez gain, parametro kontzentratuen zirkuitu elektromagnetikoa hautatutako topologiara egokitu zen, eta bere balioa frogatu zuen, Frozen Permeability teknikarekin konbinatuta erabiltzeko. Proposatutako metodologiari jarraituz, 75 kW‐eko prototipo bat diseinatu eta fabrikatu da, eta balioztapen esperimentala egin da IK4‐IKERLANeko tentsio ertaineko laborategian. Lortutako emaitzek diseinuaren metodologia zein bertan erabilitako tresnak balioztatzeko balio izan dute.