Design strategies using rotor, stator and magnet disposition for flux weakening in PM motors with wide operating speed range

Environmental and regulatory requirements has lead to improved efciency demands in industrial application, IEC 60034−30 standard demands very stringent requirements, which induction motors are hard pressed to satisfy. With easier and cheaper access to rare earth (NdFebB or SmCo) magnets and improved Permanent Magnet Synchronous machine(PMSM) design and control technologies, PMSM are being employed for applications feld, hitherto occupied by IMs, such as traction, wind turbines, aerospace, etc. The objective of this thesis work is to introduce, analyze and compare different design topologies employed in PM machines for flux weakening operation at wide operating speed range. Different PMSM are described and the design topologies employed in each are analyzed with respect to their effect in issues involved with PMSM operations such as rotor eddy current loss, stator iron loss, partial permanent demagnetization, cogging and torque ripples, and the solutions for them with the help of modifcation in rotor, stator winding and magnet design has been presented in this thesis.

Requisiti ambientali e normativi hanno portato ad accresciute esigenze di efcienza in applicazioni industriali, con stringenti specifche normative (cfr IEC 60034-30), che i Motori a Induzione (IM) difcilmente riescono a soddisfare. Grazie alla disponibilità e al minor costo dei magneti permanenti in terre rare (NdFeB o SmCo) e al miglioramento nel progetto e nel controllo dei Motori Sincroni a MP (PMSM), questi ultimi vengono impiegati per applicazioni nelle quali fnora erano impiegati motori IM, come ad esempio la trazione, le turbine eoliche, le applicazioni aerospaziali, etc. L’obiettivo di questo lavoro di tesi é la descrizione, l’analisi e il confronto tra diverse topologie di macchina a MP, impiegate in applicazioni ad estesa zona di funzionamento con indebolimento di campo, in un’ampia intervallo di velocità. Sono descritti diversi tipi di PMSM e vengono analizzati i relativi aspetti di progettazione, riguardo a varie problematiche di funzionamento, quali perdite per correnti parassite nel rotore, perdite nel ferro di statore, parziale smagnetizzazione irreversibile dei MP, coppia di cogging e ondulazione di coppia a carico: nella tesi sono analizzate le soluzioni a tali problemi, basati su opportune modifche di progetto del rotore, dell’avvolgimento statore e dei MP.