A Comprehensive Disturbing Effect Analysis of Multi-Sectional Rotor Slot Geometry for Induction Machines in Electrical Vehicles

Abstract

Bien que les performances d'un moteur à induction (IM) puissent être maximisées pour n'importe quelle vitesse à l'aide d'un onduleur, il y a encore de la place pour contribuer en optimisant la forme de la fente du rotor tout en diminuant les effets mécaniques perturbateurs et le bruit acoustique. Cet article se concentre sur l'effet de différentes formes de fentes de rotor individuelles sur les performances d'un IM, y compris les effets harmoniques, vibratoires et acoustiques globaux de l'espace. Un certain nombre de formes de fentes de rotor ont été mises en œuvre sur le rotor d'un IM commercial et l'efficacité de toutes les conceptions a été maximisée pour une région de couple constant par optimisation. Par la suite, les performances opérationnelles, y compris les opérations de démarrage, de panne et nominales ; en outre, le contenu harmonique et l'ondulation de couple ont été analysés numériquement en association avec les formes de fente de rotor mentionnées. Les 4 formes de fente de rotor les plus performantes en termes de quantités opérationnelles choisies ont été désignées. En outre, les moteurs déterminés ont été réalisés pour l'analyse des vibrations et du bruit acoustique. Des perturbations acoustiques superposées en termes de niveau de puissance acoustique pour différentes fréquences harmoniques ont été obtenues et les résultats sont donnés en comparaison. Dans l'ensemble, cet article contribue à associer les effets perturbateurs de bout en bout à certaines formes de fentes de rotor. Cette étude détermine les critères de perturbation et de performance pour choisir un moteur approprié pour un IM à utiliser dans un véhicule électrique. Il a été démontré que la forme de la fente du rotor mérite encore une attention considérable pour augmenter les performances d'un IM tout en diminuant les effets néfastes des harmoniques spatiales, des vibrations mécaniques et des perturbations acoustiques.Aunque el rendimiento de un motor de inducción (IM) se puede maximizar para cualquier velocidad mediante el uso de un inversor, todavía hay espacio para contribuir optimizando la forma de la ranura del rotor y disminuyendo los efectos mecánicos perturbadores y el ruido acústico. Este documento se centra en el efecto de diferentes formas de ranuras de rotor individuales en el rendimiento de un IM, incluidos los efectos armónicos, de vibración y acústicos del espacio en general. Se implementaron varias formas de ranura de rotor en el rotor de un IM comercial y la eficiencia de todos los diseños se maximizó para una región de par constante mediante la optimización. Posteriormente, el rendimiento operativo, incluidas las operaciones de arranque, avería y clasificación; además, el contenido armónico y la ondulación del par se analizaron numéricamente en asociación con las formas de ranura del rotor mencionadas. Se designaron las 4 formas de ranura de rotor con mejor rendimiento en términos de las cantidades operativas elegidas. Además, los motores determinados se llevaron a cabo para el análisis de vibración y ruido acústico. Se obtuvieron perturbaciones acústicas superpuestas en términos de nivel de potencia sonora para diferentes frecuencias armónicas y los resultados se dan en comparación. En general, este documento contribuye a asociar los efectos perturbadores de extremo a extremo a ciertas formas de ranura del rotor. Este estudio determina los criterios de perturbación y rendimiento para elegir un motor apropiado para un IM que se utilizará en un vehículo eléctrico. Se demostró que la forma de la ranura del rotor aún merece una atención considerable para aumentar el rendimiento de un IM al tiempo que disminuye los efectos adversos de los armónicos espaciales, la vibración mecánica y la perturbación acústica.Although the performance of an Induction Motor (IM) can be maximized for any speed by use of an inverter, there is still room to contribute by optimizing the rotor slot shape while decreasing the mechanical disturbing effects and acoustic noise. This paper focuses on the effect of different individual rotor slot shapes on the performance of an IM including overall space harmonic, vibration and acoustic effects. A number of rotor slot shapes were implemented to the rotor of a commercial IM and efficiency of all designs were maximized for constant torque region by optimization. Afterwards, operational performance including starting, breakdown and rated operations; moreover, harmonic content and torque ripple were analyzed numerically in association with the mentioned rotor slot shapes. Best performing 4 rotor slot shapes in terms of chosen operational quantities were designated. Furthermore, the determined motors were carried out to vibration and acoustic noise analysis. Superposed acoustic disturbances in terms of sound power level for different harmonic frequencies were obtained and results are given in comparison. All-in-all, this paper contributes to associating the end-to-end disturbing effects to certain rotor slot shapes. This study determines disturbance and performance criterions for choosing an appropriate motor for an IM to be used in an electric vehicle. It was shown that rotor slot shape still deserves considerable attention to increase the performance of an IM while decreasing the adverse effects of space harmonics, mechanical vibration and acoustic disturbance.على الرغم من أنه يمكن تعظيم أداء محرك الحث (IM) لأي سرعة باستخدام العاكس، إلا أنه لا يزال هناك مجال للمساهمة من خلال تحسين شكل فتحة الدوار مع تقليل التأثيرات الميكانيكية المزعجة والضوضاء الصوتية. تركز هذه الورقة على تأثير أشكال فتحات الدوار الفردية المختلفة على أداء IM بما في ذلك التأثيرات التوافقية والاهتزازية والصوتية الإجمالية للمساحة. تم تنفيذ عدد من أشكال شق الدوار على دوار IM تجاري وتم زيادة كفاءة جميع التصميمات إلى أقصى حد لمنطقة عزم دوران ثابت من خلال التحسين. بعد ذلك، تم تحليل الأداء التشغيلي بما في ذلك البدء والتفكيك والعمليات المقدرة ؛ علاوة على ذلك، تم تحليل المحتوى التوافقي وتموج عزم الدوران رقميًا بالاشتراك مع أشكال فتحات الدوار المذكورة. تم تعيين أفضل 4 أشكال لفتحات الدوار من حيث الكميات التشغيلية المختارة. علاوة على ذلك، تم تنفيذ المحركات المحددة لتحليل الاهتزاز والضوضاء الصوتية. تم الحصول على اضطرابات صوتية متراكبة من حيث مستوى قوة الصوت للترددات التوافقية المختلفة ويتم إعطاء النتائج في المقارنة. الكل في الكل، يساهم هذا الورق في ربط التأثيرات المزعجة من طرف إلى طرف بأشكال معينة من فتحات الدوار. تحدد هذه الدراسة معايير الاضطراب والأداء لاختيار محرك مناسب للعضلات ليتم استخدامه في مركبة كهربائية. وقد تبين أن شكل فتحة الدوار لا يزال يستحق اهتمامًا كبيرًا لزيادة أداء العضل مع تقليل الآثار الضارة لتوافقيات الفضاء والاهتزاز الميكانيكي والاضطراب الصوتي.