Axial Flux Permanent Magnet Machines – Development of Optimal Design Strategies

Abstract

Nowadays, rotational electrical machines are involved in all our daily activities. Modern life is inconceivable without electrical machines, both motors and generators, and therefore, machine designers can be considered to play a fundamental role in society. Thus, even a slight improvement in the design, manufacture, materials, or efficiency may be of great significance on a global scale, and can make an important contribution to society. Within this context, the advancement of permanent magnet materials and their use in electrical machines began the era of high-power-density and high-efficiency electrical machines. Further, versatility in the selection of the winding configuration has promoted the success of these machines. This doctoral dissertation focuses on the electromagnetic design of axial flux permanent magnet machines for low-speed applications. The winding configurations under study are a distributed winding (DW) and a tooth coil winding (TCW). The design equations for an axial flux machine are presented based on three fundamental design variables; tangential stress, outer diameter, and internal to outer diameter ratio. The design equations are validated by a 3D finite element model in an axial flux permanent magnet machine with a distributed winding. An analytical 2D model of the air-gap flux density distribution is developed for a more detailed analysis to improve the accuracy of the machine design and its evaluation. Furthermore, the inductance equations for the distributed winding and the tooth winding are derived in terms of pole pitch, number of slots per pole and phase, and coil pitch to facilitate their application and enhance their usability. The loss sources in a two-stator one-rotor topology are studied focusing mainly on the study of the permanent magnet eddy current losses and their minimization. A novel rotor structure is analysed by the 2D finite element method, which shows a significant reduction in losses in the permanent magnets. Based on this structure, a 100 kW machine prototype is analysed in order to verify the computed losses.

En nuestros días, las máquinas eléctricas están íntimamente ligadas con muchas de nuestras actividades diarias. La vida moderna es inconcebible sin estos dispositivos, sea motores o generadores, y por lo tanto, los diseñadores de máquinas juegan un papel fundamental en la sociedad para avanzar hacia equipos más confiables, robusto y amigables con el medio ambiente. En consecuencia, una pequeña mejora en el diseño, construcción, uso de materiales o eficiencia puede tener un gran impacto a escala global, y por lo tanto, puede conllevar a una importante contribución a la sociedad. En este contexto, el avance en el desarrollo tecnológico en las áreas de ciencia e ingeniería ha permitido promover el uso intensivo del imán permanente de alta densidad de energía en aplicaciones de máquinas eléctricas lo que dio inicio a la era de aparatos y sistemas de alta potencia y eficiencia, ampliando el rango de aplicaciones e introduciendo novedosas formas de diseño y control. Esta Tesis doctoral se orienta al diseño electromagnético óptimo de máquinas de flujo axial con imanes permanentes para aplicaciones de baja velocidad. La configuración del bobinado de estator que se estudia corresponde a bobinados distribuidos y bobinados concentrados. Se presentan el desarrollo de las ecuaciones de diseño para máquinas de flujo axial las que involucran tres parámetros fundamentales; estrés tangencial, diámetro externo y la razón de diámetros. Las ecuaciones de diseño son validadas mediante un modelo de elementos finitos tridimensional en una máquina de flujo axial con devanados distribuidos. Además, se desarrolló un modelo analítico en dos dimensiones para un estudio más detallado de la densidad de flujo en el entrehierro con el objetivo de mejorar la precisión y evaluación del diseño. También, se derivaron las expresiones para estimar la inductancia para los devanados distribuidos y concentrados en términos del paso polar, el número de ranuras por polo y por fase y el paso de bobina facilitando su aplicación y uso. Asimismo, se analizaron las fuentes de pérdidas en una topología de dos estatores y un rotor central, enfocándose principalmente en el estudio del origen de las pérdidas en los imanes permanentes debido a las corrientes parasitas inducidas y el mecanismo para su minimización. Se analizó una nueva topología del polo excitatriz mediante el método de elementos finitos en 2D, la cual mostró una significativa reducción de estas pérdidas. Basado en la estructura estudiada, un prototipo experimental de una máquina de 100 kW fue analizada con el objeto de verificar las pérdidas calculadas mediante el modelo de elementos finitos en dos dimensiones.