Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Abstract

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa.

Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen.

Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

In this work the propulsion systems of hybrid and electric vehicles, and the Permanent Magnet Synchronous Machine acting as the drive motor of the bus, its operation, and adaptability to vehicle propulsion, are discussed. An analytical tool to assist in the inductance design and optimization of torque production capability of PMSMs is presented. The tool is put to practice in a demonstrative dimensioning calculation of a bus drive motor.

The conclusion of the thesis is that the PMSM is well adapted to vehicle propulsion. In order to achieve maximal torque production capability its rotor structure and inductances need to be optimized. By analyzing a PMSM intended for vehicle propulsion, it is found that with inductance ratio smaller than one, the torque of the motor is smaller in field weakening than when driving the motor with a frequency converter at constant power with rated current. Analogously, with inductance ratio greater than one the torque is greater in field weakening. In addition, the torque production capability of the PMSM improves when inductance ratio deviates from one. Great torque is achieved with small inductance ratios. Increasing the inductance ratio from one does not improve the torque production capability of the motor as much as decreasing it.

To finalize the work, the calculations of the tool are compared to those calculated by using corresponding equations found in literature. The results calculated by the tool seem consistent with theory. However, the theoretical simplifications made when implementing the model are likely to cause inaccuracy in the results, especially at high loading.