Design and analysis of interior permanent magnet machines equipped with novel semi-overlapping windings for electric vehicle applications

Abstract

In this thesis, to meet the key expectations of the 21st century from electrical machines such as cost-effectiveness, higher power and/or torque density, efficient energy consumption, a novel winding topology comprising semi-overlapped windings has been proposed. In addition, single-excited synchronous machines having novel winding topology are investigated with specific relations to the short end-winding length with low magnetomotive force (MMF) harmonics, improved torque density and efficiency, and flux-weakening (FW) capability topics. Because of the major advantages of fractional-slot concentrated windings (FSCWs) over integer-slot distributed windings (ISDWs), such as very short-end winding length, high slot fill factor, good field weakening and better fault-tolerant capabilities, etc., an interior permanent magnet (IPM) machine equipped with FSCWs is designed and investigated, comprehensively. It has been validated that the significantly high level of MMF harmonics of FSCW configuration causes a substantial increase in the rotor losses. To reduce these losses, different MMF harmonic reduction methods, including phase‐winding coils with a different number of turns, multilayer winding with phase shifting, and stator with flux barriers have been implemented. However, it has been revealed that the influence of these methods on the MMF harmonic reduction is insignificant. Therefore, a novel semi-overlapping winding (NSW) topology having concentric windings with a different number of turns per coil arm is introduced. The major advantages of such winding over ISDWs (overlapping) and FSCWs (non-overlapping) are having very short-end winding lengths and significantly low MMF harmonic content, respectively. It has been demonstrated that the proposed winding topology promises significant superiorities such as improved efficiency with substantially reduced total axial length, low eddy current losses, and low risk of irreversible magnet demagnetisation over overlapping and non-overlapping winding topologies. The effectiveness of the proposed NSW topology by demonstrating its implementation into different synchronous machine technologies, namely IPM, synchronous reluctance machine (SynRM), permanent-magnet assisted SynRM (PMaSynRM), and double salient reluctance machine (DSRM) is investigated. It is found that the electromagnetic performance characteristics of these machines with the proposed NSW topology are comparable to design with ISDW and FSCW topologies. Moreover, it has also been revealed that the implementation of proposed NSWs into the reluctance machines results with higher torque and power output than that of FSCWs. To be able to increase the torque density, reduce the torque ripple, and improve efficiency, a systematic design optimization approach compromising single-objective individual and multi-objective global optimization methods is also proposed. Thanks to the proposed optimization approach, more sensitive geometry parameters to the torque and torque ripple are identified and the optimal solutions is reached much more quickly. Finally, a systematic analysis on the sole impact of key design parameters, including number of turns, stack length, distance and angle between V-shaped magnets, rotor yoke thickness, magnetic bridge width and thickness, and number of magnet segments, on the FW capability of NSW IPM machines is performed. It has been revealed that number of turns per phase, stack length, and width of the main magnetic bridge have a significant effect on the FW capability while the distance between magnets has a trivial effect. It has been concluded that thanks to the proposed NSW topology, electrical machines having a shorter end-winding length (compact structure), higher torque density, higher efficiency, low torque ripple, good FW capability and low risk of irreversible magnet demagnetization can be designed.

Bu tezde, 21. yüzyılın elektrik makinelerinden beklentileri arasında yer alan; maliyet etkinliği, yüksek güç ve/veya moment yoğunluğu, ve verimli enerji tüketimini karşılamak için; yarı kesişen sargılardan oluşan yeni bir sargı tekniği önerilmiştir. Ayrıca, yeni sargı topolojisinin uygulandığı elektrik makinasına kazandırmış olduğu avantajlar arasında yer alan; düşük manyetomotor kuvvet (MMK) harmonikleri, geliştirilmiş moment yoğunluğu, yüksek verimlilik, akı zayıflatma yeteneği ve kısa sargı sonu uzunluğu gibi konular detaylı bir şekilde incelenmiştir. Dünya genelinde üretilen elektrik enerjisinin %65'inden fazlası elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. Ülkemizde ise bu oran %70'e tekabül etmektedir. Öte yandan, dünya genelinde üretilen elektrik enerjisinin 93%'ünden fazlası elektrik generatörleri tarafından üretilmektedir. Bu nedenle, döner elektrik makinalarının verimliliklerindeki iyileştirmeler, güç tüketiminin azaltılmasında ve dolayısıyla ülkelerin ekonomik büyümesine büyük katkı sağlamaktadır. Ayrıca, verimli enerji tüketiminin 21. yüzyılın küresel iklim değişikliğiyle ilgili sorunların çözülmesinin anahtarı olduğu son zamanlarda fark edilmiştir. Özellikle karayolu ulaşımının elektrifikasyonu; sera etkisine katkıda bulunan CO2 emisyonunun azaltılmasında en önemli katkıyı sağlayacağı anlaşılmıştır. Bu yüzden, karayolu taşımacılığında enerji kullanımının 2050 yılına kadar, elektrifikasyonun hakim olacağı sonucu, BP Enerji şirketi tarafından ön görülmüştür. Sonuç olarak, küresel ısınma, yenilenemeyen enerji kaynaklarının ayrıştırılması ve ekonomik büyüme sorunları ile ilgili artan endişeler nedeniyle, elektrik makinalarının enerji verimliliği tasarımı, önemli bir araştırma alanı olarak ortaya çıkmaktadır. Kesirli oluklu konsantre sargıların (ISDW), klasik oluklu dağıtılmış sargılara (FSCW) göre sahip olduğu; oldukça kısa sargı sonu uzunluğu, daha yüksek oluk doldurma faktörü, daha iyi alan zayıflatma kapasitesi ve daha iyi hata töleransı gibi avantajlardan dolayı, bu sargı tekniği kullanılarak tasarlanmış; 12-oluk/8-kutup (12S/8P) kombinasyonuna sahip gömülü mıknatıslı senkron (IPM) makinanın elektromanyetik performans karakteristikleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Burada, tasarımların doğruluğunu kontrol edebilmek için, tasarım ve işletme spesifikasyonları 2010 Toyota Prius IPM makinası ile aynı seçilmiştir. FSCW ailesine ait 12S/8P kombinasyonunun altharmoniği bulunmamasına rağmen, bu sargı yapısına sahip makinalarının, oldukça yüksek MMK harmonikleri nedeniyle, rotor kayıplarında önemli bir artış olduğu doğrulanmıştır. Bu kayıpları azaltmak için, farklı tur sayısına sahip faz bobinleri, fazları kaydırılmış çok tabakalı sargı yapısı, stator akı bariyerleri gibi farklı MMK harmonik azaltma yöntemleri uygulanmıştır. Ancak, kullanılan bu yöntemlerin, MMK harmoniklerini azaltmakta oldukça yetersiz olduğu ortaya çıkmıştır. Bu sebeple, düşük MMK harmonik ve kısa sargı sonu uzunluğu talebini karşılamak için; her bir bobin kolunda farklı tur sayısına sahip konsantirik tip yarı kesişen sargı (NSW) topolojisi geliştirilmiştir. Bu sargı modelinin temel yapısal özellikleri şu şekilde sıralanabilir: (a) yeni bir stator yapısına gerek duymaz (ISDW topolojisine sahip bir sargının yerine stator geometrisinde bir değişikliğe gidilmeden kullanılabilir); (b) bobin ve faz adımlarını herhangi bir stator olur ve kutup sayısına göre hesap etmek oldukça kolaydır; (c) sargı tabaka sayısını oluk ve kutup sayısına bağlı olarak elde etmek mümkündür. Optimum sargı yapısını belirlemek için yapılan çalışmalar sonucunda, oluk sayısı, tabaka sayısı ve bobin kolları arasındaki tur sayıları arttıkça, hava aralığı harmoniklerinin azaldığı ve hava aralığı akısının temel bileşen değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Geliştirilen sargı yapısının kesişen sargı (ISDW) tekniğine göre çok daha kısa sargı sonu uzunluğu ve kesişmeyen sargı (FSCW) tekniğine göre çok daha az MMK harmonikleri bulunmaktadır. Önerilen sargı topolojisinin, kesişen ve kesişmeyen sargı topolojilerine göre; büyük ölçüde azaltılmış toplam eksenel uzunluk, düşük girdap akımı kayıpları, düşük geri mıknatıs demanyetizasyon riski ve arttırıllmış verimlilik gibi önemli üstünlükler vaat ettiği gösterilmiştir. Önerilen YKS topolojisinin IPM makinası, senkron relüktans makinası (SynRM), kalıcı mıknatıs destekli SynRM (PMaSynRM) ve çift çıkıntılı relüktans makinaları (DSRM) gibi farklı tiplerdeki senkron makinalara uygulanmasındaki etkinliği araştırılmıştır. Bu araştırma için kesişen ve kesişmeyen sargı yapılarının etkisi de hesaba katılmıştır. Dolayısı ile aynı tasarım ve işletme spesifikasyonlarına fakat farklı sargı ve rotor topolojilerine sahip toplamda 12 adet senkron makinanın, elektromanyetik performans kıyaslaması ayrınrılı bir şekilde yapılmıştır. Kesişen ve yarı kesişen sargılar için 24S/4P ve kesişmeyen sargı sargı için 6S/4P oluk/kutup kombinasyonları seçilmiştir. Yapılan analizler sonucu; ele alınan makinaların; sargı endüktansları, akı yoğunluğu ve akı çizgi dağılımları, sargılarda endüklenen gerilimler, hava aralığı akı yoğunlukları, mıknatıs demayetizasyon riskleri, moment, moment dalgalılığı, moment yoğunluğu, güç kayıpları, çıkış gücleri, ve verim değerleri kıyaslanmıştır. Önerilen sargı tekniği ile tasarlanan bu makinaların, elektromanyetik performans karakteristiklerinin, ISDW ve FSCW teknikleri ile tasarlanmış senkron makinalar ile karşılaştırılabilir olduğu bulunmuştur. Dahası, önerilen NSW ile tasarlanmış relüktans makinalarının, FSCW tasarımlarına göre daha yüksek moment ve güç çıkışı verdiği ortaya çıkmıştır. Yüksek hızlardaki dayanıklılığından ve iyi bir alan zayıflatma karakteristiğine sahip olduğundan seçilen IPM rotor topolojisi önerilen NSW yapısı ile tasarlanmış ve akabinde çıkış performans parameterelerini geliştirebilmek için optimize edilmiştir. Burada, tek amaçlı bireysel ve çok amaçlı küresel optimizasyon yöntemlerinin sistematik bir şekilde uygulanması ile optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Yapılan optimizasyonun amacı moment yoğunluğunu ve verimi en üst seviyeye çıkarmak, moment dalgalılığını ise en düşük seviyeye indirmek olarak belirlenmiştir. Genetik algoritma, optimizasyon algoritması olarak seçilmiştir. Hassiyet analizleri sonucunda, stator bölme oranı, stator diş genişlik oranı, stator oluk yüksekliği, rotor iç ve dış köprü çapları, akı bariyer kalınlığı, mıknatıs genişlik ve kalınlıkları, stator oluk açıklığının yükseklik ve genişlik parametreleri; optimize edilecek tasarım parametreleri olarak seçilmiştir. Önerilen optimizasyon yaklaşımı sayesinde, maksimum verim koşulunda elde edilebilecek maksimum moment ve minimum moment dalgalılığı hızlı bir şekilde (klasik optimizasyon yöntemlerine göre daha az iterasyon ile) elde edilmiştir. Son olarak, önerilen sargı yapısı ile tasarlanan bir IPM makinanın alan zayıflatma karakteristikleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca, faz başına tur sayısı, istif uzunluğu, mıknatısların konumu, rotor boyunduruk kalınlığı, akı bariyer köprüsünün boyutları, mıknatıs segment sayısı gibi temel tasarım parametrelerinin, alan zayıflatma karakterisiğine olan etkileri araştırılmıştır. Alan zayıflatma performansındaki değişimlerinin sebebini açıklayabilmek için: (a) mıknatıs akı katsayısı; (b) ters çıkıntı oranı; (c) manyetik doyma seviyeleri incelenmiştir. Moment bileşenlerinden relüktans momentinin, alan zayıflatma performansı ile doğru orantılı bir ilişkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Yani, eğer incelenen parametere relüktans momentini arttırıyorsa, alan zayıflatma karakteristiğinin daha iyi olacağı tahmin edilebilir sonucuna varılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda, sargı tur sayısı, istif uzunluğu ve ana manyetik köprü genişliğinin alan zayıflatma kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu, mile yakın uçtaki mıknatıslar arasındaki mesafenin ise önemsiz bir etkiye sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca, prototipi üretilen makina için kayıp ve verim haritaları ile birlikte moment ve güç–hız eğrileri elde edilmiştir. Önerilen NSW topolojisi sayesinde, daha kısa sargı sonu uzunluğuna (kompakt yapı), daha yüksek moment yoğunluğuna, daha yüksek verime, düşük moment dalgalanmasına, iyi bir alan zayıflatma kapasitesine ve düşük mıknatıs demanyetizasyon riskine sahip elektrik makinelerinin tasarlanabileceği sonucuna varılmıştır.