Modelling and analysis of concentrated and distributed winding synchronous reluctance motors in direct-phase variables and finite element analysis

• Autorzy: Epemu Ayebatonye , Obe Pauline , Obe Emeka

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2021.10.14

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i analiza skoncentrowanych i rozproszonych synchronicznych silników reluktancyjnych o zmiennych fazach bezpośrednich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The modelling and analysis of a proposed line-start three-phase concentrated (overlapping) and conventional distributed winding synchronous reluctance motors was carried out in this study. The machine inductances were determined using Winding Function Theory (WFT) and the analysis of the machine was done in Direct-Phase Variables (DPV). The machine performance characteristics such as Speed, Torque and Phase currents were observed. ANSYS Finite Element Analysis (FEA) software was used to validate and show the viability of the models as harmonics are taken into account in the FEA simulation. The results obtained from the FEA simulation showed the presence of MMF harmonics and airgap permeance harmonics that produced torque ripples. Although distributed winding SynRM showed slightly better overload capability the proposed concentrated winding SynRM will be easier to construct due to its fewer stator slots.

PL

W pracy przeprowadzono modelowanie i analizę zaproponowanych synchronicznych silników reluktancyjnych trójfazowych skoncentrowanych (nakładających się) i konwencjonalnych o uzwojeniu rozproszonym. Indukcyjność maszyny wyznaczono za pomocą teorii funkcji uzwojenia (WFT), a analizę maszyny przeprowadzono w zmiennych fazach bezpośrednich (DPV). Zaobserwowano charakterystyki pracy maszyny, takie jak prędkość, moment obrotowy i prądy fazowe. Oprogramowanie ANSYS do analizy elementów skończonych (FEA) zostało użyte do walidacji i wykazania wykonalności modeli, ponieważ w symulacji MES uwzględniane są harmoniczne. Wyniki uzyskane z symulacji FEA wykazały obecność harmonicznych MMF i harmonicznych przepuszczalności szczeliny powietrznej, które powodowały tętnienia momentu obrotowego. Chociaż rozproszone uzwojenie SynRM wykazało nieco lepszą zdolność przeciążania, proponowane skoncentrowane uzwojenie SynRM będzie łatwiejsze do zbudowania ze względu na mniejszą liczbę szczelin stojana.

Słowa kluczowe

EN

direct-phase-variable model; finite element analysis; synchronous reluctance motor; winding function theory

PL

silnik reluktancyjny; silnik synchroniczny; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 97, nr 10
• Strony: 69--75
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Epemu Ayebatonye

• Department of Electrical/Electronic Engineering, Federal University of Petroleum Resources Effurun, Effurun, Delta State, Nigeria

• https://orcid.org/0000-0003-0055-214X

autor

Obe Pauline

• Department of Industrial Technical Education, University of Nigeria, Nsukka, Nigeria

• https://orcid.org/0000-0001-9530-2009

autor

Obe Emeka

• Department of Electrical Engineering, University of Nigeria, Nsukka, Nigeria

• https://orcid.org/0000-0002-4766-2859

Bibliografia

• [1] Kostko, J., “Polyphase reaction synchronous motors,” J. Am. Inst. Electr. Eng., 42(1923), no. 11,1162–1168
• [2] Boglietti, A., Cavagnino, A., Pastorelli, M., and Vagati, A., “Experimental Comparison of Induction and Synchronous Reluctance Motors Performance,” in IEEE Industry Applications Conference, (2005), 474–479
• [3] Spargo, C., “Synchronous Reluctance Technology-Part I,” Durham Res. Online, 44(2016), no. 1,1–5
• [4] Lipo, T., “Novel Reluctance Machine Concepts for Variable Speed Drive,” in 6th Mediterranean Electrotechnical Conference Proceedings, (1991), 34–43
• [5] Vagati, A., “The synchronous reluctance solution: A new alternative in AC drives,” IEEE IECON conference, 1(1994), 1– 13
• [6] Martis, C., “New Shape of Rotor Flux Barriers in Synchronous Reluctance Machines Based on Zhukovski Curves,” in IEEE International Symposium on advanced topics in electrical engineering, (2015), 221–224
• [7] Ma, X., Li, G., Zhu, Z., Jewell, G., and Green, J., “Investigation on Synchronous Reluctance Machines with Different Rotor Topologies and Winding Configurations,” IET Electr. Power Appl., (2017)1–17
• [8] Hu, Y., Chen, B., Xiao, Y., Shi, J., and Li, L., “Study on the Influence of Design and Optimization of Rotor Bars on Parameters of a Line-Start Synchronous Reluctance Motor,” IEEE Trans. Ind. Appl., 56(2020) no. 2, 1368–1376
• [9] Zhao, W., Lipo, T., and Kwon, B., “Performance Improvement of Ferrite-Assisted Synchronous Reluctance Machines Using Asymmetrical Rotor Configuration.,” IEEE Trans. Magn., 51(2015), no.11,1-1
• [10] Siadatan, A., Goltieb, J., and Afjei, E., “Comparison of power factor between permanent magnet assisted synchronous reluctance motor with neodymium-iron-boron and ferrite magnets,” Int. Symp. Power Electron. Electr. Drives, Autom. Motion, (2020), 144–150
• [11] Ogunjuyigbe, A., Jimoh, A., Nicolae, D., and Obe, E., “Analysis of synchronous reluctance machine with magnetically coupled three-phase windings and reactive power compensation,” IET Electr. Power Appl., 4(2010), no. 4, 291–303
• [12] Park, J., Bianchini, C., Bellini, A., Davoli, M., and Bianchi, N., “Experiment-based performance analysis for dual three-phase synchronous reluctance motor according to different winding configurations,” Int. Symp. Power Electron. Electr. Drives, Autom. Motion, (2020), 478–483
• [13] Obe, E., “Direct computation of ac machine inductances based on winding function theory,” Energy Convers. Manag., 50(2009), no. 3, 539–542
• [14] Obe, E., “Calculation of inductances and torque of an axially laminated synchronous reluctance motor,” IET Electr. Power Appl., 4(2010), 783–792
• [15] Obe, E., and Binder, A., “Direct-phase-variable model of a synchronous reluctance motor including all slot and winding harmonics,” Energy Convers. Manag., 52(2011), 284–291
• [16] Cros, J., and Viarouge, P., “Synthesis of High-Performance PM Motors With Concentrated Windings,” IEEE Energy Convers., 17(2002), no. 2, 248–253
• [17] Umoh, G., Ogbuka, C., and Obe, E., “Modelling and analysis of five-phase permanent magnet synchronous motor in machine variables,” Prz. Elektrotechniczny, 96(2020), no. 1, pp. 87–92, 2020
• [18] Umoh, G., Obe, C., Ogbuka, C., Ekpo, G., and Obe, E., “Direct-phase variable modelling and analysis of five-phase synchronous reluctance motor for direct-on-line starting,” Prz. Elektrotechniczny, 97(2020), no. 1, 24–29
• [19] Lipo, T., Introduction to AC Machine Design, First Edition, New Jersey: Wiley, 2017
• [20] Lipo, T., Analysis of Synchronous Machines, Second Edition. New York: Taylor & Francis Group, LLC, 2012

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).