High torque low rotational speed permanent magnet synchronous machine technical evaluation

Abstract

The objective of this thesis was to evaluate if certain low rotational speed, high torque application is feasible with permanent magnet topology. Electromagnetic performance, efficiency and material costs were compared.

Thesis gives a brief overview of high torque, low rotational speed machines, and their application areas. These machines were studied, and different possible topologies are shown. Electromagnetic and mechanical properties of different winding types were compared and types that could be manufactured as part of segmented machine structure were chosen for comparison. Comparison is made utilizing literature study, analytical calculations, and finite element analysis. Integer slot and fractional slot concentrated winding machines were analysed and compared thoroughly with different rotor topologies. Both winding types with rotor surface mounted permanent magnets were analysed. Fractional slot concentrated winding machine was shown to have more losses in permanent magnets and rotor yoke than is acceptable and for further study interior permanent magnets design with lamination stack was created. Because of interior permanent magnets design, more magnet volume and winding turns was needed to achieve the same efficiency as with integer slot wound surface mounted permanent magnet machine.

As a result of this thesis, machine design with integer slot winding and surface mounted permanent magnets was created. This machine was compared with typical electrically excited synchronous machines and found to have better efficiency and lower material cost and mass.

Tämän diplomityön tavoitteena oli arvioida kestomagneettitahtikoneen soveltuvuutta korkeaa vääntömomenttia ja hidasta pyörimisnopeutta vaativaan käyttökohteeseen. Sähkömagneettista suorituskykyä, hyötysuhdetta ja materiaalikustannuksia vertailtiin.

Diplomityö antaa katsauksen erilaisiin käyttökohteisiin, jotka vaativat suuren vääntömomentin ja hitaan pyörimisnopeuden omaavan sähkökoneen. Erilaisia suuren vääntömomentin tuottavia hitaasti pyöriviä sähkökoneita tutkittiin ja mahdolliset konerakenteet esitettiin. Myös erilaisia käämitystyyppejä vertailtiin ja käämitysvaihtoehdot, jotka ovat valmistettavissa segmentoituun rakenteeseen valittiin jatkotutkimuksiin. Vertailu suoritetiin tutkimalla kirjallisuutta, analyyttisillä laskelmilla sekä numeerisilla, elementtimenetelmään pohjautuvilla analyyseillä. Kokovakokäämitys sekä murtovakokäämitys tutkittiin ja vertailtiin eri roottorirakenteilla. Molemmat käämitystyypit arvioitiin pintamagneettiroottorirakenteella. Murtovakokoneen osalta kestomagneettien ja roottorin selän häviöiden huomattiin olevan yli hyväksyttävän tason. Jatkotutkimuksia varten murtovakokonetyypille laskettiin myös uppomagneetti roottorirakenne. Laskennan perusteella havaittiin, että uppomagneetti roottorirakenteesta johtuen, murtovakokone vaatii enemmän kestomagneettimateriaalia ja käämikierroksia saavuttaakseen saman hyötysuhteen, kuin kokovakokäämityksellä oleva pintamagneeteilla varustettu kone.

Diplomityön tuloksena suunniteltiin kokovakokäämitty pintamagneeteilla oleva suoravetoinen kestomagneettitahtikone. Tätä konetta vertailtiin olemassa oleviin sähköisesti magnetoituihin tahtikoneisiin ja todettiin sen saavuttavan paremman hyötysuhteen matalemmilla materiaalikustannuksilla ja massalla.