Optimization of an uneven-stator synchronous reluctance machine for self-levitation application

Abstract

Bearingless motors are meant to increase reliability of electric machines by reducing the number of mechanical parts. Operating principle of bearingless machine is based on producing unbalanced magnetic pull by generating larger flux density in airgap on one side of the motor than on other side. Primary windings produce magnetic flux with direction that opposes the direction of flux produced by secondary windings on one side and on the other side the fluxes have same direction. This results in larger flux density in the airgap on one side of the machine and smaller on the other side. Magnetic flux density can be decreased by increasing reluctance or conversely flux density can be increased by decreasing reluctance. This is achieved by redistributing stator yoke material accordingly to increase and reduce saturation on appropriate areas of stator. In this thesis the stator yoke is optimized to produce maximum levitating force with minimal torque reduction. Optimization is done using commercially available software utilizing finite element methods (FEM) to solve Maxwell’s field equations to obtain electromagnetic fields. Through multiple case studies 13.5% increase in levitation force is realized with approximately 1% reduction in torque. Results is proposal for novel general shape of bearingless synchronous reluctance motor (SynRM).

Laakerittomat moottorit parantavat sähkömoottorien luotettavuutta vähentämällä kuluvia mekaanisia osia. Laakerittoman koneen toimintaperiaate perustuu epätasaisen magneettisen vetovoiman luomiseen tuottamalla ilmaväliin magneettivuontiheys, joka on voimakkaampi moottorin yhdellä puolella ja heikompi toisella puolella. Moottorikäämitykset tuottavat magneettivuon, jonka suunta on sekundäärikelojen magneettivuota vastaan yhdellä puolella ja samansuuntainen toisella puolella, tuottaen näin pienemmän vuontiheyden moottorin ilmaväliin yhdelle puolelle ja suuremman toiselle. Vuontiheyttä voidaan heikentää kasvattamalla reluktanssia tai vastavuoroisesti vahvistaa vähentämällä reluktanssia. Siirtämällä magneettista materiaalia koneen puolelta toiselle, kasvatetaan ja vähennetään staattorin selän reluktansseja ja muutetaan magneettivuon tiheyttä ilmavälissä ja siten magneettista vetovoimaa. Tässä työssä tarkastellaan staattorin selän optimointia levitointivoiman maksimoimiseksi siten että vääntömomentin menetys on mahdollisimman vähäinen. Optimointi tapahtuu kaupallisesti saatavilla olevalla ohjelmistolla, joka hyödyntää elementtimenetelmää (FEM) laskemaan sähkömagneettisia kenttiä Maxwellin yhtälöiden avulla. Työssä suoritetun monitapaustukimuksen avulla levitointivoimaa saadaan kasvatettua 13.5% noin 1% vääntömomentin menetyksellä. Tämän johdosta työssä ehdotetaan uudenlaista staattorimuotoa laakerittomalle synkronireluktanssi-moottorille.