Performance analysis of synchronous reluctance motors

The following thesis focuses on the study of a synchronous reluctance motor and its permanent magnets variant. The work will be developed including a general presentation of the motor, considering advantages, drawbacks and its role in the current field of electrical machines. The main construction types of the rotor will also be analysed, with a comparison aimed at defining the advantages and difficulties in the production process. Subsequent evaluations include a mathematical model from which it is possible to deduce some characteristics of the motor and a more detailed analytical analysis to study other peculiarities. These results will then be collected to define a path for performance improvement, considering a different number and size of flux barriers and different solutions related to the number of stator slots and the number of poles. Finally, several FEM simulations will be performed, with the aim of verifying and confirming the theoretical considerations, previously developed, to improve the machine performance with particular attention to torque ripple and power factor. The simulation part will focus, at first, on a motor without permanent magnets (SynRM) and considering a different number of stator slots and flux barriers. From these different models the average torque, ripple and power factor will be obtained. Then, starting from one of the already developed models, the study will focus on the analysis of the effect of permanent magnets (PMASRM), considering different magnetic materials, such as ferrite and NdFeB, and different arrangements within the flux barriers. Next simulations also include a sensitivity analysis related to the reaction angle β and the implementation of a fractional slot winding. Finally, the results of both motors (SynRM & PMASRM) will be collected, analysed and compared.

La seguente tesi si concentra sullo studio di un motore sincrono a riluttanza e la relativa variante a magneti permanenti. Il lavoro verrà sviluppato includendo una presentazione generale del motore, considerando vantaggi, svantaggi e il suo ruolo nell’odierno campo delle macchine elettriche. Verranno inoltre analizzate le principali tipologie costruttive del rotore, con un confronto mirato a definire vantaggi e difficoltà nel processo di produzione. Le successive valutazioni includono un modello matematico dal quale è possibile dedurre alcune caratteristiche del motore e un’analisi analitica più dettagliata per studiarne altre peculiarità. Questi risultati verranno poi raccolti per definire delle linee guida per il miglioramento delle prestazioni, considerando un diverso numero e dimensioni delle barriere di flusso e diverse soluzioni relative al numero di cave statoriche e al numero di poli. Infine, verranno eseguite diverse simulazioni FEM, con l'obiettivo di verificare e confermare le considerazioni teoriche, precedentemente sviluppate, per migliorare le prestazioni della macchina con un’attenzione particolare al ripple di coppia e al fattore di potenza. La parte simulativa si concentrerà, in un primo momento, su un motore senza magneti permanenti (SynRM) e considerando un diverso numero di cave statoriche e di barriere di flusso. Da questi diversi modelli verranno ottenuti il valor medio della coppia, il ripple e il fattore di potenza. Successivamente, partendo da uno dei modelli già sviluppati, lo studio si concentrerà sull’analisi dell’effetto dei magneti permanenti (PMASRM), considerando diversi materiali magnetici, come ferrite e NdFeB, e diverse disposizioni all’interno delle barriere di flusso. Le successive simulazioni includono anche un'analisi relativa all'angolo di reazione β e l'implementazione di un avvolgimento frazionario. Infine, i risultati di entrambi i motori (SynRM & PMASRM) verranno raccolti, analizzati e confrontati.