High Frequency Analysis of Permanent Magnet Motors

Abstract

The trend towards electrification has led to an increased use of wide-bandgap semiconductors in electric drives. These semiconductors allow the development of high power density and high efficiency drives, but also present challenges related to Electromagnetic Interference (EMI) due to their higher voltage derivatives. These derivatives lead to voltaje overshoots at the machine terminals, which can potentially damage the insulation of the machine. Therefore, the aim of this PhD is to develop a complete design methodology that makes it possible to optimise the electrical machine also from the Electromagnetic Compatibility (EMC) point of view. The research begins with a comprehensive literature review on high-frequency modelling of electrical machines and the impact of design parameters on their high-frequency behaviour. This review also covers an overview of the current tools used for these models. A novel high-frequency model of the electrical machine based on FEM simulations is presented. This model, validated on various industrial machines, extends beyond most existing models in the literature, covering a frequency range of 100 Hz to 50 MHz. The validation process incorporates data from 28 samples from one machine to account for manufacturing tolerances. In addition, the high-frequency machine model is integrated in a whole drive model. This model, validated with experimental measurements, enables EMI analysis considering all drive components, including the inverter, cable, and EMC filter. Unlike models in the existing literature that use motor behavioural models derived from experimental measurements, the proposed model uses impedance data from FEM simulations. This approach allows for the prediction of common-mode currents right from the design stage. The thesis concludes with an analysis of how design variables influence the impedance of the electrical machine and, consequently, the drive’s common-mode currents. It introduces a new design methodology for electrical machines that incorporates the EMC perspective. Two industrial machines exceeding the EMI regulation limits serve as case studies. The thesis proposes a design improvement that successfully reduces their common-mode current. This last point highlights the significant contribution of this research to the field of electrical machine design and EMC optimisation.

Elektrifikaziorako joerak banda zabaleko erdieroaleen erabilera handitzea bultzatu du. Erdieroale hauek potentzia-dentsitate eta errendimendu altuko eragingailuak garatzeko aukera ematen duten arren, sortzen diren tentsio-deribatu handiek Interferentzia Elektromagnetikoekin (EMI) lotutako erronkak aurkezten dituzte. Deribatu horiek sorturiko gaintentsioak direla eta, makinaren isolamendua kaltetu daiteke. Beraz, doktorego-tesi honen helburua makina elektrikoa Bateragarritasun Elektromagnetikoaren (EMC) ikuspegitik optimizatzea ahalbidetuko duen diseinu-metodologia oso bat garatzea da. Lehenik eta behin, makina elektrikoen maiztasun altuko modelizazioari eta makinaren diseinu-parametroek maiztasun altuko portaeran duten eraginari buruzko berrikuspen bibliografiko sakona egiten da. Bertan modelo horietarako gaur egun erabiltzen diren baliabideak deskribatzen dira. Ondoren, literaturan dauden modelo gehienetatik haratago doan maiztasun altuko inpedantzia modelo berri bat aurkezten da, elementu finituen simulazioetan oinarritua. Modelo hau makina industrial desberdinak erabilita balidatu da 100 Hz-tik 50 MHz-ra bitarteko maiztasun-tartean. Fabrikazio tolerantziak kontuan hartzeko, makina baten 28 lagin desberdin aztertu dira. Gainera, makinaren maiztasun altuko eredua eragingailu elektriko oso baten modeloan integratzen da. Modelo hau neurketa esperimentalen bidez balioztatzen da, eta eragingailuaren osagai guztiak kontuan hartuta EMI analisiak egiteko aukera ematen du, inbertsorea, kablea eta EMC iragazkia barne. Literaturan dauden ereduek ez bezala, zeinek neurketa esperimentaletatik eratorritako motorraren ereduak erabiltzen dituzten, proposatutako ereduak elementu finituekin simulatutako inpedantziak erabiltzen ditu. Honek diseinu-fasean modu komuneko korronteak aurreikusteko aukera ematen du. Azkenik, diseinu aldagaiek makina elektrikoaren inpedantzian eta, ondorioz, eragingailuaren modu komuneko korronteetan duten eragina aztertzen da. Makina elektrikoak EMC ikuspuntutik diseinatzeko metodologia bat garatzen da. Hau aztertzeko EMI araudiaren mugak gainditzen dituzten bi makina industrial erabiltzen dira eta modu komuneko korrontea murrizten duen diseinu hobekuntza bat proposatzen da. Azken atal honek makina elektrikoen diseinuan eta bateragarritasun elektromagnetikoaren optimizazioan egindako ekarpenaren garrantzia azpimarratzen du.

La tendencia hacia la electrificación ha llevado a un mayor uso de semiconductores de banda ancha en los accionamientos eléctricos. Estos semiconductores permiten desarrollar accionamientos de alta densidad de potencia y alto rendimiento. Sin embargo, también plantean retos relacionados con las interferencias electromagnéticas (EMI) debido a sus elevadas derivadas de tensión. Estas derivadas provocan sobretensiones en los terminales de la máquina, que pueden dañar el aislamiento de la misma. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología de diseño completa que permita optimizar la máquina eléctrica también desde el punto de vista de la Compatibilidad Electromagnética (EMC). La investigación comienza con una exhaustiva revisión bibliográfica sobre el modelado de alta frecuencia de las máquinas eléctricas y el impacto de los parámetros de diseño en su comportamiento a alta frecuencia. Esta revisión también cubre una visión general de las herramientas actuales utilizadas para estos modelos. Se presenta un novedoso modelo de alta frecuencia de la máquina eléctrica basado en simulaciones de elementos finitos. Este modelo, validado con varias máquinas industriales, va más allá de la mayoría de los modelos existentes en la literatura, cubriendo un rango de frecuencias de 100 Hz a 50 MHz. El proceso de validación incorpora datos de 28 muestras de una máquina para tener en cuenta las tolerancias de fabricación. Además, el modelo de alta frecuencia de la máquina se integra en un modelo del accionamiento completo. Este modelo, validado con mediciones experimentales, permite realizar análisis de EMI teniendo en cuenta todos los componentes del accionamiento, incluidos el inversor, el cable y el filtro EMC. A diferencia de los modelos existentes en la literatura que utilizan modelos del motor derivados de mediciones experimentales, el modelo propuesto utiliza datos de impedancia de simulaciones de elementos finitos. Este enfoque permite predecir las corrientes de modo común desde la fase de diseño. La tesis concluye con un análisis de cómo las variables de diseño influyen en la impedancia de la máquina eléctrica y, en consecuencia, en las corrientes de modo común del accionamiento. Después, introduce una metodología de diseño de máquinas eléctricas que incorpora la perspectiva de EMC. Dos máquinas industriales que superan los límites de la normativa de EMI sirven como casos de estudio. La tesis propone mejoras de diseño que reducen con éxito la corriente de modo común. Este último punto subraya la importante contribución de esta investigación al campo del diseño de máquinas eléctricas y la optimización de la compatibilidad electromagnética.