Design and comparison of permanent magnet motor topologies for different application sectors

Induction motors are commonly coupled to a gearbox when an application requires a low speed and a high torque. The gearbox is costly, needs maintenance and decreases the efficiency of the drive. Therefore, taking away the gearbox is very advantageous. This can be made possible by using a permanent magnet (PM) synchronous motor running directly at low speed, so called direct-drive PM synchronous motor. In this thesis, low-speed direct-drive and high-speed direct-drive PM motors are investigated. The thesis begins with an overview of different existing PM direct-driven applications. It concentrates then on a few topologies that are promising for the considered application: five different radial-flux PM machine configurations with surface-mounted, buried permanent magnets, axial-flux and transverse-flux PM machine configurations. The design of the different PM motors is realised by solving an optimisation problem, using Sequential Quadratic Programming methods. Firstly, to design the low speed machines requires stator and rotor design based on material, weight and pole number. Secondly, Low-speed PM machines, advantages and disadvantages of the SPM, Inset, V-type and tangentially magnetised PM machine configurations are summarised in detail. For high-speed permanent magnet (HSPM) machines, firstly, accounting for stator structures of both slotted and slotless, rotor structure of interior PM (IPM), surface-mounted PM (SPM), and solid PM including retaining sleeves and their geometric designs are investigated based on choice of material, weight and pole number with. Secondly, HSPM machines, applications, advantages, and disadvantages of slotted/slotless stator configurations and IPM, SPM and solid PM rotor configurations. In this thesis, Wind turbine and ship propulsion systems applications of PM machines are explained and comparison between RFPM and AFPM were seen. A comparison among permanent magnet (PM) wind generators for different topologies of both HSPM and LSPM were chosen based on criteria that are identified for deployment of generators in wind turbines mainly for radial and axial-flux machines.

I motori a induzione sono comunemente accoppiati a un riduttore quando un'applicazione richiede una bassa velocità e una coppia elevata. Il cambio è costoso, necessita di manutenzione e diminuisce l'efficienza dell'azionamento. Pertanto, togliere il cambio è molto vantaggioso. Ciò può essere reso possibile utilizzando un motore sincrono a magneti permanenti (PM) che funziona direttamente a bassa velocità, il cosiddetto motore sincrono PM ad azionamento diretto. In questa tesi vengono studiati i motori PM ad azionamento diretto a bassa velocità e ad azionamento diretto ad alta velocità. La tesi inizia con una panoramica delle diverse applicazioni PM ad azionamento diretto esistenti. Si concentra quindi su alcune topologie promettenti per l'applicazione considerata: cinque diverse configurazioni di macchine PM a flusso radiale con magneti permanenti interrati montati in superficie, configurazioni di macchine PM a flusso assiale e trasversale. La progettazione dei diversi motori PM è realizzata risolvendo un problema di ottimizzazione, utilizzando metodi di programmazione quadratica sequenziale. In primo luogo, per progettare le macchine a bassa velocità è necessario progettare lo statore e il rotore in base al materiale, al peso e al numero di poli. In secondo luogo, vengono riepilogati in dettaglio le macchine PM a bassa velocità, i vantaggi e gli svantaggi delle configurazioni delle macchine PM SPM, Inset, di tipo V e magnetizzate tangenzialmente. Per le macchine a magneti permanenti ad alta velocità (HSPM), in primo luogo, tenendo conto delle strutture dello statore sia scanalate che senza scanalature, della struttura del rotore del PM interno (IPM), del PM montato in superficie (SPM) e del PM solido, compresi i manicotti di ritegno e i loro disegni geometrici vengono studiati in base alla scelta del materiale, del peso e del numero di poli con. In secondo luogo, le macchine HSPM, le applicazioni, i vantaggi e gli svantaggi delle configurazioni dello statore scanalato/senza slot e delle configurazioni del rotore IPM, SPM e PM solido. In questa tesi vengono spiegate le applicazioni dei sistemi di propulsione navale e delle turbine eoliche delle macchine PM e si è visto il confronto tra RFPM e AFPM. È stato scelto un confronto tra generatori eolici a magneti permanenti (PM) per diverse topologie di HSPM e LSPM sulla base di criteri identificati per l'impiego di generatori nelle turbine eoliche principalmente per macchine a flusso radiale e assiale.