Calculation of iron losses in permanent magnet synchronous machine using finite element method

We are becoming a part of a new, different world, where constant technological improvements are happening day by day. New methods and breakthroughs in various industry fields are led by high market demands and, lately, environmental awareness, which has been put aside for many years. Nowadays, in a modern machine or device, besides a high performance, one of the most important requirements is high energy efficiency. As one of the major electricity consumers, electrical machines play a key role in global energy saving. Machine manufacturers and design engineers are putting great efforts into the development of new and more efficient electrical machines. The goal is to reduce losses and achieve a higher density power. Thus, understanding the losses in machine and constant upgrade in knowledge are the basic requirements for new and better efficiency improvements. The main object of this thesis is the calculation of iron losses using the finite element method (FEM) in the COMSOL software. The complete work is divided in eight main chapters. The first part of the thesis gives an introduction to a problem with a brief mention of permanent magnets and their characteristics. The second chapter of the thesis gives a reader the basic information about the permanent magnet synchronous motors, including the basic design, characteristics and motor morphology. In this chapter, the losses in electrical machine are introduced as well as iron losses and their significance and influence. Furthermore, the introduction of the simulation process and its benefits is provided. The third chapter starts with describing the Finite Element Method (FEM) and its use in the COMSOL software. Furthermore, the possibilities of the COMSOL AC/DC module are explained, especially in the area of interest, describing that the FEM relies on four Maxwell's equations for quasi-stationary electromagnetic field. Next, the material is defined, as well as the boundary conditions and sources. The conducted results and their representation are shown. At the end, the simulation example and steps in the COMSOL software are presented. The fourth chapter contains the information based on the motor parameters and motor geometry. Also, the drawing steps in AutoCAD Electrical with detailed descriptions are shown. At the end of this chapter, all necessary motor parts will be drawn and ready for the input into the COMSOL software. In the fifth chapter, the input of the previously drawn models is performed with detailed descriptions and steps. The input setting and data are also shown in the application windows. In the sixth chapter, the usage of the simulation model and the output result analysis are shown. The results obtained here are based on different simulation settings, i.e. on different rotation speeds. In this part, the MATLAB code and its usage in this paper are shown. At the end, the analytical expressions for the calculation of Eddy currents and Hysteresis losses are shown. The seventh chapter contains a brief conclusion of the thesis. The eighth and the last chapter contain references used in this paper.

Stiamo diventando la parte di un mondo nuovo e diverso, dove miglioramenti tecnologici stanno costantemente accadendo giorno per giorno. I nuovi metodi e le scoperte fondamentali in vari campi dell’industria sono condotti da esigenze di mercato elevate e, recentemente, dalla consapevolezza ambientale la quale veniva messa da parte per molti anni. Oggi, una macchina o dispositivo moderni, oltre ad elevate prestazioni deve possedere uno dei requisiti più importanti cioè elevata efficienza energetica. Come uno dei principali consumatori di elettricità, le macchine elettriche svolgono un ruolo chiave nel risparmio dell’energia globale. Costruttori di macchinari ed ingegneri progettisti stanno mettendo grande impegno nello sviluppo dei nuovi e più efficienti apparechi elettrici. L'obiettivo è quello di ridurre le perdite e raggiungere una densità di potenza elevata. Così, la comprensione delle perdite di un apparecchio e l'aggiornamento costante delle conoscenze sono i requisiti di base per nuovi miglioramenti di efficienza. Lo scopo principale di questa tesi è il calcolo delle perdite di ferro con il metodo degli elementi finiti (FEM) nel software COMSOL. L'articolo completo è diviso in otto capitoli principali. La prima parte della tesi fa un’introduzione al problema con un breve accenno dei magneti permanenti e le loro caratteristiche. Il secondo capitolo della tesi offre ai lettori le informazioni di base sui motori sincroni a magneti permanenti, tra cui il progetto di base, le caratteristiche e la morfologia del motore. In questo capitolo, le perdite in macchina elettrica sono introdotte così come le perdite di ferro e la loro importanza ed influenza. Inoltre, è fornita l'introduzione del processo di simulazione e i suoi benefici. Il terzo capitolo inizia con il descrivere del Metodo degli Elementi finiti (FEM) e il suo uso nel software COMSOL. Inoltre, le possibilità del modulo COMSOL AC / DC sono spiegate, soprattutto nella zona di interesse, descrivendo che la FEM fa affidamento su quattro equazioni di Maxwell per il campo elettromagnetico quasi stazionario. Successivamente, il materiale viene definito, così come le condizioni al contorno e fonti. I risultati condotti e la loro rappresentazione sono mostrati. Alla fine, sono presentati gli esempi di simulazione e passi nel software COMSOL. Il quarto capitolo contiene le informazioni sulla base dei parametri del motore e la geometria del motore. Inoltre, vengono mostrate le fasi di disegno di AutoCAD Electrical con descrizioni dettagliate. Alla fine di questo capitolo, tutte le parti del motore necessarie saranno disegnate e pronte per l'ingresso nel software COMSOL. Nel quinto capitolo, l'ingresso dei modelli precedentemente disegnati viene effettuato con descrizioni e passi dettagliati. L'impostazione di ingresso e i dati sono anche mostrati nelle finestre delle applicazioni. Nel sesto capitolo, viene mostrato l'uso del modello di simulazione e l'analisi risultato di uscita. I risultati ottenuti qui si basano su differenti impostazioni di simulazione, cioè su diverse velocità di rotazione. In questa parte, viene mostrato il codice MATLAB e il suo utilizzo in questo articol. Alla fine, viene mostrato le espressioni analitiche per il calcolo delle correnti parassite e le perdite per isteresi. Il settimo capitolo contiene una breve conclusione della tesi. L'ottavo e l'ultimo capitolo contengono riferimenti utilizzati in questo articolo.