Types and design of synchronous machines for low-speed applications

Many geared electric drives can benefit from removing the gearbox and driving directly the load at low speed using a permanent-magnet synchronous machine (PMSM). PMSMs with non-overlapping concentrated windings are particularly attractive in low-speed direct drives since they allow, among other advantages, a high number of poles with a limited number of slots. Therefore, this thesis is dedicated to PMSMs with non-overlapping concentrated windings designed for low-speed direct-drive applications. The design features specific to PMSMs with non-overlapping concentrated windings are presented and illustrated with examples based on finite-element (FE) simulations. Especially, it is shown that the selections of the stator core manufacturing method, the number of winding layers, the combination of pole and slot numbers, and the geometry of the tooth tips are crucial during the design stage of the machine. Then we discuss the benefits of removing the gearbox in a 4.5 kW, 50 rpm mixer used in a waste-water treatment plant are investigated. With its PMSM having buried ferrite magnets and concentrated windings, the designed direct-drive mixer has a higher efficiency than the commercialized geared mixer, but it is also heavier and more expensive due to the larger required housing, shaft and seals. In addition, the cost of the stator core and coil assembly was also higher than expected. Therefore, the difficulties in manufacturing a stator core with concentrated windings are investigated.

Molti azionamenti elettrici con riduttore possono trarre vantaggio dalla rimozione del cambio e dalla guida diretta del carico a bassa velocità mediante una macchina sincrona a magnete permanente (PMSM). I PMSM con avvolgimenti concentrati senza sovrapposizione sono particolarmente interessanti negli azionamenti diretti a bassa velocità poiché consentono, tra l'altro, un elevato numero di poli con un numero limitato di slot. Pertanto, questa tesi è dedicata ai PMSM con avvolgimenti concentrati senza sovrapposizione progettati per applicazioni a trasmissione diretta a bassa velocità. Le caratteristiche di progettazione specifiche per i PMSM con avvolgimenti concentrati non sovrapposti sono presentate e illustrate con esempi basati su simulazioni agli elementi finiti (FE). In particolare, viene mostrato che le selezioni del metodo di produzione del nucleo dello statore, il numero di strati di avvolgimento, la combinazione dei numeri di poli e di fessure e la geometria delle punte dei denti sono cruciali durante la fase di progettazione della macchina. Quindi discutiamo i vantaggi della rimozione del cambio in un miscelatore da 4,5 kW, 50 rpm utilizzato in un impianto di trattamento delle acque reflue. Con il suo PMSM che ha sepolto i magneti in ferrite e gli avvolgimenti concentrati, il miscelatore a trasmissione diretta progettato ha un'efficienza superiore rispetto al miscelatore a ingranaggi commercializzato, ma è anche più pesante e più costoso a causa dell'alloggiamento, dell'albero e delle tenute più grandi richiesti. Inoltre, anche il costo del nucleo dello statore e del gruppo bobina era superiore alle aspettative. Pertanto, vengono studiate le difficoltà nella produzione di un nucleo di statore con avvolgimenti concentrati.