Stator winding topologies of permanent magnet traction motors

Abstract

The goal of this thesis is to find the optimal stator winding topology for permanent magnet traction machines in terms of price, manufacturability and performance. The main parameters and characteristics of synchronous machines are covered to make it easier to compare different winding topologies. The existing winding topologies and their characteristics are covered based on a literature research. Based on the research, hairpin winding is chosen to be compared to traditional lap coil winding. The main reasons for choosing the hairpin winding are the easier manufacturing process and the lower achievable manufacturing cost. The performance of the hairpin winding depends the machine dimensions and frequency.

The lap coil winding and the hairpin winding are compared by using analytical and numerical analyses. Hairpin windings with different number of layers are compared. Efficiency maps are calculated for both winding types. The hairpin winding is shown to produce worse efficiency, but better maximum torque. The main reason for the difference is found to be 46% higher copper losses. The continuous torque is estimated to be 25% lower in the hairpin machine. The winding principles of the hairpin winding are presented. A copper loss map comparing the coil winding and the hairpin winding in a power-frequency plane is shown.

Työn tavoitteena on löytää paras staattorin käämitystopologia kestomagneettitahtikoneelle ajovoimansiirtokäytössä. Käämitystopologioiden valmistettavuutta, hintaa sekä suorituskykyä arvioidaan kirjallisuustutkimuksen perusteella. Tahtikoneiden ominaisuudet käydään läpi, jotta käämityksien vertailu olisi helpompaa. Kirjallisuustutkimuksen perusteella ns. hiuspinnikäämitys valitaan tutkittavaksi käämitykseksi ja sitä verrataan perinteiseen lankakäämitykseen. Hiuspinnikäämityksen etuja ovat helpompi valmistettavuus sekä alhaisempi hinta. Hiuspinnikäämityksen suorituskykyyn vaikuttavat koneen mitat sekä käytettävä taajuus.

Lankakäämityksen ja hiuspinnikäämityksen suorituskykyjä sekä parametreja verrataan analyyttisen sekä numeerisen analyysin keinoin. Molemmille käämityksille määritetään hyötysuhdekartat. Tutkitun hiuspinnikäämityksen huomataan tuottavan huonompi hyötysuhde, mutta parempi maksimivääntömomentti. Huonomman hyötysuhteen havaitaan olevan seurausta 46 % suuremmista kuparihäviöistä. Suurempien kuparihäviöiden seurauksena hiuspinnikäämityksen tuottaman jatkuvan vääntömomentin havaitaan laskevan 25 %. Hiuspinnikäämityksen käämintämenetelmät esitetään. Lankakäämityksen sekä hiuspinnikäämityksen kuparihäviöitä verrataan teho-taajuus -tasossa.