High Speed Synchronous Machines: Modeling, Design and Limits

This thesis reports the results of the three-years activities carried out during the XXXV cycle of the Ph.D. course in Electrical and Information Engineering of Politecnico di Bari. The main goal of this work is the definition of a comprehensive design procedure for high-speed synchronous machines, including synchronous reluctance (SyR), permanent magnet assisted synchronous reluctance (PMaSyR) and surface mounted permanent magnet (SPM) machines. An original design approach is first proposed to the SyR scenario based on analytical methods and few finite element simulations capable of correcting the inaccuracies of the analytical approach. The proposed methodology takes into account both the electromagnetic, thermal and structural issues and their conflicting requirements when a high-speed design scenario is considered. In fact, magnetic non-linearities, rotor structural limitations and the rise of both stator and rotor iron losses are all considered. The adopted design approach allows achieving optimal stator and rotor geometries balancing all these competitive multi-physics aspects and keeping constant either the cooling system capability or the current density. Both silicon-iron (SiFe) and cobalt-iron (CoFe) alloys with optimized magnetic and mechanical performance are examined to assess the maximum capabilities achievable with a SyR machine technology. The same design philosophy is then applied to the PMaSyR case, when the degrees of freedom are increased by the insertion of the proper amount of PM volume within the rotor flux barriers, which is the most common design strategy used to significantly increase their performance in terms of both power density and power factor. It will be shown how a permanent magnet assisted synchronous reluctance machine can be optimized to satisfy all the electromagnetic and structural constraints arising as the maximum operating speed increases. This will be done considering a variety PMs material, including low energy density PMs (e.g., Ferrite) and high energy density ones (e.g., rare earth materials such as NdFeB). Finally, the SPM design case is analyzed with the same hybrid-analytical workflow, with special attention on the sleeve design as the speed increases; indeed, both thermal expansion and centrifugal forces must be accurately taken into account. The proposed design procedure, either applied to SyR, PMaSyR or SPM cases respectively, constitutes a flexible, systematic and general approach which is useful to infer design guidelines according to given assumptions and design choices. Experimental results on four different prototypes validate the design approach.

Questo lavoro di tesi riporta i risultati di tre anni di attività svolte durante il XXXV ciclo del corso di dottorato in Ingegneria Elettrica e dell'Informazione del Politecnico di Bari. L'obiettivo principale del lavoro è la definizione di una completa procedura di progettazione di macchine elettriche sincrone ad alta velocità, tra cui le macchine sincrone a riluttanza pura, le macchine sincrone a riluttanza assistita da magneti permanenti e le macchine sincrone a magneti permanenti isotrope. Un'originale metodologia di progettazione sarà prima proposta per le macchine sincrone a riluttanza; tale metodologia è basata su modelli analitici ed opportune simulazioni agli elementi finiti utili a correggere le imprecisioni dell'approccio puramente analitico. Il metodo proposto è in grado di considerare sia le problematiche elettromagnetiche che quelle termiche e strutturali, nonché i loro diversi requisiti nell'ambito di una progettazione di una macchina ad alta velocità. Infatti, la metodologia di progettazione è in grado di portare in conto sia le non-linearità magnetiche che le limitazioni strutturali e l'incremento delle perdite nel ferro di statore e rotore. L'approccio adottato permette di ottenere macchine ottimali sia da un punto statorico che rotorico, bilanciando tutti i sopracitati aspetti multifisici e mantenendo costante o la densità di corrente o il sistema di raffreddamento. Saranno esaminati differenti tipi di materiali ferromagnetici, in particolare i materiali basati sulla tecnologia a ferro-silicio (SiFe) e quelli basati sul Cobalto (CoFe), con lo scopo di individuare i limiti di potenza di una macchina a riluttanza pura. La stessa filosofia di progettazione sarà applicata al caso di macchine a riluttanza assistita da magneti permanenti, dove l'inserimento di questi ultimi all'interno delle barriere di flusso costituisce un ulteriore grado di libertà all'interno della progettazione; l'inserimento del giusto volume di magnete rappresenta la strategia più comune per aumentare in maniera significativa le prestazioni di un motore a riluttanza pura, sia in termini di densità di potenza che di fattore di potenza. Sarà mostrato come è possibile ottimizzare una macchina a riluttanza assistita in modo da soddisfare tutti i vincoli elettromagnetici e strutturali che insorgono quando la velocità di progetto aumenta. Tale metodologia sarà applicata considerando magneti sia a bassa (es. Ferrite) che alta (magneti in terre rare, es. NdFeB) densità di energia. Infine, sarà analizzato il caso delle macchine a magneti permanenti superficiali utilizzando la stessa strategia di progettazione ibrida-analitica, ponendo particolare attenzione alla progettazione della camicia di contenimento dei magneti permanenti necessaria ad alte velocità; infatti, sia il fenomeno di espansione termica che le problematiche legate alle forze centrifughe in gioco devono essere correttamente portati in conto. La metodologia proposta, applicata alle tre tipologie di macchine, costituisce un approccio flessibile, sistematico e generale, utile per dedurre alcune linee guida di progettazione in accordo con date assunzioni e scelte di progetto. Le considerazioni fatte saranno validate sperimentalmente su quattro diversi prototipi.