Пројектовање асинхроних машина са малом инерцијом и великом брзином обртања

Abstract

Главни циљ овог рада је развој новог приступа пројектовању и оптимизацији асинхроних машина мале инерције и велике брзине обртања. У раду су детаљно размотрене постојеће концепције ротора асинхроних машина са малом инерцијом од којих је издвојен концепт чашастог ротора због своје једноставности и јако мале инерције. Затим је анализиран утицај повишених учестаности напајања високобрзинских машина на избор материјала и процедуру пројектовања намотаја статора. Предложена је модификована процедура за пројектовање статора која резултује геометријом која задовољава сва улазна ограничења и специфичности високобрзинских машина. Посебна пажња у раду је посвећена моделовању и оптимизацији чашастог ротора у циљу добијања геометрије која резултује максималним степеном искоришћења снаге машине. У сврху анализе рада мотора и могућности за оптимизацију чаше коришћен је прилагођени аналитички модел који не узима у обзир површински ефекат у ротору. Резултат анализе су улазна ограничења за процес оптимизације у 2D FEM софтверу. На основу резултата 2D FEM симулација добијена је оптимална геометрија ротора која је затим верификована кроз неколико 3D FEM симулација. Поређењем је потврђена валидност оптимизације у 2D FEM и добијени одговарајући корекциони фактори. Рад такође обрађује и утицај материјала роторске чаше на перформансе мотора и оптималну геометрију ротора. Посебан део рада је посвећен анализи термичких и механичких аспеката чашастог ротора где се разматра практична применљивост предложеног решења. Последњи део рада описује поступак формирања експерименталне поставке која је искоришћена за валидацију предложеног приступа пројектовању и оптимизацији ротора. У оквиру овог дела обрађен је и поступак пројектовања шестофазног намотаја и дата је кратка анализа погодности његове примене уместо трофазног. Модификацијом конвенционалног мрежно напајаног асинхроног мотора добијен је шестофазни асинхрони мотор са чашастим ротором чије су главне димензије одређене предложеним процесом оптимизације. Мотор је затим испитан у празном ходу и под оптерећењем за...

The aim of this work is to present the new design and optimization procedure for high speed asynchronous machines with very low rotor inertia. The work contains an overview of different rotor concepts for high speed asynchronous machines. From the found solutions, drag-cup rotor is distinguished as a concept with simple construction and very low inertia. After that, the impact of high supply frequency in high speed machines on materials selection and winding design procedure is investigated. Modified procedure for stator design is proposed which results with geometry which satisfies all input limitations and specific issues of high speed electrical machines. The main attention is paid to modeling and optimization of drag-cup rotor as very specific structure in order to find the optimal design which results with maximum degree of efficiency of machine in defined operation regime. For the purpose of analysis of motor characteristics and its potential for optimization the analytical model for drag-cup machine is adopted which doesn’t take into account only the skin effect in drag-cup. The main results of this analysis are the input boundaries for optimization procedure in 2D FEM software. The results of 2D FEM simulations are the optimized rotor geometry which was then verified with few 3D simulations. Comparison of the results verifies the validity of the 2D optimization procedure and gives the necessary correction factors. The work also deals with impact of drag-cup rotor material on machine performance and optimal geometry of the rotor. Special part of the work is dedicated to analysis of thermal and mechanical aspects of drag-cup rotor design with the main accent to the applicability of proposed rotor concept for high speed applications. The last part of the work describes the development of experimental setup which is used for verification of proposed design and optimization procedure. This part also contains the description of design procedure for asymmetrical six phase stator winding which emphasizes its advantages over the three phase winding. Prototype of six phase drag-cup motor is built by modification of conventional asynchronous motor. Main dimensions of drag-cup rotor for the prototype are determined with proposed optimization procedure. The motor is then tested in no-load and on-load conditions. Obtained motor characteristics are...