Методологија оптималног пројектовања статорског намотаја шестофазних машина уз уважавање фреквенцијске зависности параметара и магнетског засићења

Abstract

Употреба електричних машина у електричним возилима и у електромоторним погонима великих снага често се базира на концепту вишефазних машина и претварача. Предмет научне расправе у оквиру дисертације је разматрање, утврђивање и уважавање електромагнетских појава које се јављају у току рада ових машина, а које могу утицати на одабир оптималне топологије статорског намотаја. Постоји потреба за анализом појава које се јављају при раду вишефазне машине, а које утичу на промене њених параметара и перформанси, што је искоришћено као темељ за формирање методологије пројектовања статорског намотаја шестофазне машине. Док су адекватни математички модели вишефазних машина за линеарне услове рада доступни, то није случај са моделима код којих је присутно засићење магнетског кола. У овој дисертацији обрађена је проблематика пројектовања намотаја статора на примеру шестофазне машине. Анализирана је појава засићења магнетског кола при различитим условима напајања, при чему се анализира потенцијална употреба постојећих модела засићених трофазних машина за потребе моделовања засићених вишефазних машина. Код модела шестофазне машине са векторски распрегнутим равнима анализирано је постојање међусобног утицаја између различитих равни при појави засићења магнетског кола, а што је од значаја за развој прецизнијих модела и алгоритама управљања. Дисертација се ослања на аналитичка разматрања, анализу применом методе коначних елемената и експерименталне резултате. Показано је да на засићење на путу главног флукса утичу компоненте струје које не доприносе стварању електромеханичког момента, тј. установљено је постојање међураванског унакрсног засићења, што доводи до потребе за развојем нових модела шестофазних и осталих вишефазних машина, који ће уважити овај ефекат. Поред засићења, анализиране су различите топологије статорских намотаја ради остваривања бољих перформанси шестофазне машине са становишта смањења површинских губитака у ротору. Установљено је да скраћење навојног корака намотаја често не доводи до смањења ових губитака. Као резултат анализе формирана је методологија оптималног пројектовања статорског намотаја шестофазне машине која се базира на основним научним доприносима ове дисертације.

The use of electrical machines in electric vehicles and high-power drives frequently requires multiphase machines and multiphase inverters. The topic of the scientific discussion within the dissertation is the consideration, determination and appreciation of the electromagnetic phenomena that occur during the operation of multiphase machines, which can be related to the selection of the optimal topology of the stator winding. There is a need to analyze these phenomena, which influence the changes in parameters and performances. While appropriate mathematical models under the linear magnetic conditions are readily available for multiphase machines, the same cannot be said for the models of the saturated multiphase machines. This dissertation examines the saturation in an asymmetrical six-phase induction machine under different supply conditions and the possibility of extending the existing linear models to the saturated case. Specifically, in the vector space decomposed model, the mutual coupling between sequence planes is analyzed under saturated conditions, which is important for modeling and control purposes. The dissertation relies on analytical considerations, finite element analysis and experimental results. It is shown that the saturation of the main flux path is influenced by the current components in the orthogonal (non-fundamental) sequence plane. The existence of the cross-coupling effects between different subspaces is recognized, thus implies the need to develop new multiphase machine models which take this effect into account. In addition, various stator winding topologies have been analyzed in order to achieve better performance of the six-phase AC machine. An analysis of the different stator winding topologies and their influence on harmonic losses in the rotor cage, was presented. It has been found that the shortening of the winding pitch often has no effect on reducing these losses. The methodology of designing the stator winding of a six-phase machine is presented, which takes into account the contributions presented in the dissertation. A closer study of the dissertation research is the analysis of the phenomena which are significant in the design and optimization procedure when constructing a sixphase AC machine. The dissertation describes the phenomena that occur during characteristic operating regimes and are of importance during the design process. Therein, the magnetic circuit saturation effect was analyzed in greatest detail, while considering the existing methods for modeling in both three-phase and six-phase machines. It was concluded that the frequency dependence of parameters is present as in three-phase machines.