Design and comparison of three-phase and five-phase induction motor using finite element method

Induction motors (IM) have been widely used in the industrial sector for more than 100 years. Various computer modeling and design software have been developed to design and estimate the performance of these motors before the actual manufacturing and production in order to save money. The thesis presents the design of three-phase and five-phase induction motors followed by the estimation of various characteristics to have a comparison. The design and estimation of characteristics are both achieved by using ANSYS-MAXWELL software which uses the finite element method. At first, the sizing calculation of the motor is presented based on the input data provided by a car manufacturer. After the sizing is achieved, the 2D design of the machine is constructed in ANSYS- MAXWELL. Then, the materials, mesh operations, boundary conditions, and excitations are applied to the machine in order to perform the simulations. The first characteristic is obtained for the three-phase induction motor for the entire slip range at the rated frequency by applying the rated voltage as the excitation to the stator windings. It is found that the torque obtained by this design is low as compared to the expected torque. The flux density plot shows that there is a saturation of flux density near the minimum width of rotor teeth with this design and the flux density in the external stator yoke is low compared to what it had been designed for. So a small change is performed by reducing the depth of the stator yoke and re-calculating the machine dimensions. Simulating the new design for the rated frequency proves to be better than the previous one with more torque and no saturation of flux density in any part of the motor. The variable frequency/speed simulations for constant slip speed are performed for frequencies f≤f_n with rated current and maximum current as excitation. The results have shown that the electromagnetic torque remains constant for these simulations. To estimate the characteristic of the IM above the rated speed, rated voltage is used as the excitation for the stator windings and three different speed/frequency curves are obtained and plotted which shows that both the rated torque and maximum torque decrease with the increase in frequency beyond the rated value. Next is presented the sizing and construction for the five-phase induction motor. The same set of simulations as already stated for the three-phase machine are simulated also for the five-phase machine to have a comparison between the two. The results obtained show that both the machines develop the same amount of torque for all the speeds but the torque ripple in the output torque of the five-phase induction motor has a much lower amplitude than the three-phase induction motor which is an advantage of a five-phase induction motor over the three-phase induction motor.

I motori a induzione (IM) sono ampiamente utilizzati nel settore industriale da oltre 100 anni. Vari software di modellazione e progettazione al computer sono stati sviluppati per progettare e stimare le prestazioni di questi motori prima dell'effettiva produzione e produzione al fine di risparmiare denaro. La tesi presenta la progettazione di motori asincroni trifase e cinque fasi seguita dalla stima di varie caratteristiche per avere un confronto. La progettazione e la stima delle caratteristiche sono entrambe ottenute utilizzando il software ANSYS-MAXWELL che utilizza il metodo degli elementi finiti. In un primo momento, il calcolo del dimensionamento del motore viene presentato sulla base dei dati di input forniti da un produttore di automobili. Dopo aver ottenuto il dimensionamento, il design 2D della macchina viene costruito in ANSYS-MAXWELL. Quindi, i materiali, le operazioni di mesh, le condizioni al contorno e le eccitazioni vengono applicati alla macchina per eseguire le simulazioni. La prima caratteristica si ottiene per il motore trifase a induzione per tutto il campo di scorrimento alla frequenza nominale applicando la tensione nominale come eccitazione agli avvolgimenti dello statore. Si è riscontrato che la coppia ottenuta con questo progetto è bassa rispetto alla coppia prevista. Il grafico della densità del flusso mostra che c'è una saturazione della densità del flusso vicino alla larghezza minima dei denti del rotore con questo design e la densità del flusso nel giogo dello statore esterno è bassa rispetto a quella per cui era stata progettata. Quindi una piccola modifica viene eseguita riducendo la profondità del giogo dello statore e ricalcolando le dimensioni della macchina. La simulazione del nuovo design per la frequenza nominale risulta essere migliore del precedente con più coppia e nessuna saturazione della densità di flusso in nessuna parte del motore. Le simulazioni di frequenza / velocità variabile per velocità di scorrimento costante vengono eseguite per frequenze f≤f_n con corrente nominale e corrente massima come eccitazione. I risultati hanno mostrato che la coppia elettromagnetica rimane costante per queste simulazioni. Per stimare la caratteristica dell'IM al di sopra della velocità nominale, viene utilizzata la tensione nominale come eccitazione per gli avvolgimenti dello statore e si ottengono e tracciate tre diverse curve velocità / frequenza che mostrano che sia la coppia nominale che la coppia massima diminuiscono con l'aumentare della frequenza oltre il valore nominale. Di seguito viene presentato il dimensionamento e la costruzione del motore a induzione a cinque fasi. Lo stesso set di simulazioni già detto per la macchina trifase viene simulato anche per la macchina a cinque fasi per avere un confronto tra le due. I risultati ottenuti mostrano che entrambe le macchine sviluppano la stessa quantità di coppia per tutte le velocità ma l'ondulazione di coppia nella coppia di uscita del motore a induzione a cinque fasi ha un'ampiezza molto inferiore rispetto al motore a induzione a tre fasi che è un vantaggio di un motore a induzione a cinque fasi sul motore a induzione trifase.