Simulation and Optimization of IPMSM motor for Oil pump Aplications Using Pyleecan

Electric motors have gained immense popularity in various applications, notably in oil pumps where Interior Permanent Magnet Synchronous Motors (IPMSMs) play a pivotal role in torque generation. This specific IPMSM motor features an external stator and a rotor with a radius of 14.5mm, an air gap of 0.8mm, and operates below the base speed, controlled by the Maximum Torque per Ampere (MTPA) strategy. This thesis revolves around the simulation of this motor using Pyleecan, an open-source Python-based software, with the ultimate goal of optimizing its performance. The cost of constructing such a motor is significantly influenced by the choice of magnets, particularly the use of N42sh magnets. Therefore, optimizing the magnet configuration becomes paramount in reducing overall costs. However, there isn’t a one-size-fits-all geometry for magnets that guarantees superior performance with minimal magnet surface area due to various construction limitations. By meticulously analyzing the impact of various parameters on motor performance, it was revealed that V-shaped magnets require less magnet surface area compared to rectangular magnets to achieve the same level of performance. Through optimization of this configuration, magnet usage was reduced by approximately 38%, translating into substantial cost savings. Additionally, an alternative motor configuration featuring 9 stator slots and 4 pole pairs was investigated to minimize ripple torque. However, this change in topology led to a significant alteration in the harmonic distribution, resulting in a substantial increase in the Total Harmonic Distortion (THD) of the electromotive force (EMF). This posed challenges in motor control, rendering the motor practically uncontrollable.

I motori elettrici hanno guadagnato immensa popolarità in varie applicazioni, in parti colare nelle pompe per il petrolio dove i motori sincroni a magneti permanenti interni (IPMSM) svolgono un ruolo fondamentale nella generazione di coppia. Questo partico lare motore IPMSM presenta uno statore esterno e un rotore con un raggio di 14,5 mm, uno spazio d’aria di 0.8 mm e opera al di sotto della velocità di base, controllato dalla strategia della massima coppia per ampere (MTPA). Questa tesi ruota attorno alla simu lazione di questo motore mediante Pyleecan, un software open-source basato su Python, con l’obiettivo finale di ottimizzarne le prestazioni. Il costo di costruzione di un tale motore è significativamente influenzato dalla scelta degli magneti, in particolare l’uso di magneti N42sh. Pertanto, ottimizzare la configurazione dei magneti diventa fondamentale per ridurre i costi complessivi. Tuttavia, non esiste una geometria universale per i magneti che garantisca prestazioni superiori con una superficie magnetica minima, a causa di varie limitazioni costruttive. Analizzando attentamente l’impatto di vari parametri sulle prestazioni del motore, è emerso che i magneti a forma di V richiedono una superficie magnetica minore rispetto ai magneti rettangolari per ottenere lo stesso livello di prestazioni. Attraverso l’ottimizzazione di questa configurazione, l’uso di magneti è stato ridotto di circa il 38%, traducendosi in significativi risparmi di costi. Inoltre, è stata esaminata una configurazione alternativa del motore con 9 slot statorici e 4 coppie di poli per minimizzare la coppia ondulatoria. Tuttavia, questo cambiamento di topologia ha portato a un’alterazione significativa della distribuzione armonica, con un notevole aumento della distorsione armonica totale (THD) della forza elettromotrice (EMF). Ciò ha creato sfide nel controllo del motore, rendendo il motore praticamente incontrollabile.