Types and design of synchronous machines for low speed applications

The permanent magnet synchronous machine (PMSM) drive is one of the best choices for a full range of motion control applications. For example, the PMSM is widely used in robotics, machine tools, actuators, and it is being considered in high power applications such as industrial drives and vehicular propulsion. It is also used for residential/commercial applications. The PMSM is known for having low torque ripple, superior dynamic performance, high efficiency and high-power density. To convert wind power into electricity, many types of generator concepts have been used and proposed. Most of the low speed wind turbine generators presented are permanent-magnet (PM) machines. These have advantages of high efficiency and reliability, since there is no need of external excitation and conductor losses are removed from the rotor. The machine topologies considered in this thesis include the conventional Inner rotor radial-flux construction, Outer rotor radial-flux construction, double stator axial-flux construction, double rotor axial-flux construction. All the machines compared are built with surface mounted magnets, NdFeB, and grouped into two categories. The criteria used for comparison are torque density, active material weight, outer radius, total length, total volume and efficiency. The basis for the comparison is highlighted to make the comparison fair and reasonable. The design equations are verified by finite element analysis and commercial generator test results.

L'azionamento della macchina sincrona a magnete permanente (PMSM) è una delle migliori scelte per una gamma completa di applicazioni di controllo del movimento. Ad esempio, il PMSM è ampiamente utilizzato in robotica, macchine utensili, attuatori ed è considerato in applicazioni ad alta potenza come azionamenti industriali e propulsione veicolare. Viene anche utilizzato per applicazioni residenziali / commerciali. Il PMSM è noto per avere un'ondulazione di coppia bassa, prestazioni dinamiche superiori, alta efficienza e densità di potenza elevata. Per convertire l'energia eolica in elettricità, sono stati usati e proposti molti tipi di concetti di generatori. La maggior parte dei generatori di turbine eoliche a bassa velocità presentati sono macchine a magneti permanenti (PM). Questi presentano vantaggi di alta efficienza e affidabilità, poiché non è necessaria alcuna eccitazione esterna e le perdite del conduttore vengono rimosse dal rotore. Le topologie della macchina considerate in questa tesi comprendono la convenzionale costruzione del flusso radiale del rotore interno, la costruzione del flusso radiale del rotore esterno, la costruzione del flusso assiale a doppio statore, la costruzione del flusso assiale a doppio rotore. Tutte le macchine a confronto sono costruite con magneti montati in superficie, NdFeB, e raggruppati in due categorie. I criteri utilizzati per il confronto sono la densità di coppia, il peso del materiale attivo, il raggio esterno, la lunghezza totale, il volume totale e l'efficienza. La base per il confronto è evidenziata per rendere il confronto equo e ragionevole. Le equazioni di progettazione sono verificate mediante analisi agli elementi finiti e risultati dei test del generatore commerciale.