Simulation and Experimental Validation of Losses in Permanent-Magnet Synchronous Machines

Abstract

Permanent-magnet synkronmaskinen (PMSM) har vokst i popularitet, grunnet dens høye effekttetthet, virkningsgrad, effektfaktor og dens lave behov for kontroll og vedlikehold. Siden de første PMSM-ene kom, har det blitt gjort store materielle og tekniske fremskritt, som har redusert prisen og økt ytelsen. Dette har har gjort PMSM til en god kandidat i markedet for elektriske maskiner.

Denne masteroppgaven fokuserer på virkningsgrad og tap i en PMSM. Gjennom Finite-Element metode (FEM), studeres og valideres tapene opp mot to identiske 3kW WEG W22 Interne PMSM-er i et back-to-back oppsett, hvor tapene analyseres og allokeres. Laboratorieoppsettet var forberedt av Instituttet for Elektrisk Energi (IEL) ved NTNU før masteroppgaven begynte, og er først i en rekke av eksperimentelt valideringsutstyr til nytte for NTNU og deres industrielle partnere.

Med målinger av linjestrøm og DC-motstand ble Full-Last kobbertapet (185W) simulert og målt, og sammenlignet med de totale tapene, forskjellen mellom elektrisk og mekanisk effekt. De resterende tapene utgjør mekanisk tap, jerntap, magnettap, magnetplatetap og alle kobbertap som ikke kommer fra DC-motstand. Ved å måle Null-Last tap ved lav rotasjonshastighet, kan de mekaniske tapene (31W) approksimeres. Full-Last jerntapene (18-41W) ble simulert som volumetrisk taptetthet med Steinmetz-metoden, Jordan-metoden og Bertotti-metoden. Metodene er i stigende grad kompliserte, og belager seg på kjennskap til materielle egenskaper for å være presise.

Selv om de simulerte resistive magnettapene ikke er signifikante for det totale tapsbilde, er de viktige for maskinens ytelse, spesielt for en Intern PMSM, grunnet avmagnetisering. Magnettapene er simulert som resistive tap, og varierer oftest ikke mye med temperatur. De resistive tapene som er simulert i magnetplatene er ikke store i det totale tapsbildet heller, men de er like viktige som magnettapene, fordi varmen er like vanskelig å bli kvitt, og vil gå til magneten om de ikke håndteres. Motivasjonen og effekten av disse platene bør undersøkes nærmere, ettersom deres tap er større enn magnettapene i seg selv.

De resterende kobbertapene er grunnet økt temperatur, AC-komponenter og nærhetskomponenter av motstanden, samt kretsende harmoniske strømmer i de trekantkoblede viklingene. Av disse er temperaturen antatt å være mest utslagsgivende, økningen vil heve kobbertapene med 31.2%. AC-komponenten er neglisjerbar for de tynne kobberlederne, men det kan det være at nærhetskomponenten ikke er. De kretsende strømmene lar seg ikke måle på terminalene, og er derfor også vanskelige å estimere, men de kan være av betydning for maskinutformingen.

Instrumentenes målesikkerhet er beregnet og stilt spørsmål ved, og konklusjonen er at det trengs mer presise målinger ved eksperimentell validering fremover. Sammen med en reevaluering av trekantkoblede maskiner, er dette rådet som gis IEL i deres fremtidige investeringer på laboratoriet.

The Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) has seen a surge in popularity, due to its high torque density, efficiency, power factor and its low need for control and maintenance. Since the first PMSMs were introduced, many material and technical advantages have been made, reducing the price and increasing the overall performance, making the PMSM a strong competitor in the electric machine market.

This thesis focuses on the efficiency and the losses of the PMSM. Studying the losses found through Finite Element Method (FEM) simulations, and validating them with two identical 3kW WEG W22 Interior PMSMs in a back-to-back setup, the losses are allocated and analysed. The laboratory facilities were prepared by the Department of Electric Energy (IEL) at NTNU before the Thesis work began, as the first in a chain of investments in experimental validation equipment for use by NTNU and their industrial partners.

Using measure line current and DC resistance, a lower estimate of the Full-Load copper losses (185W) is simulated and measured, which is subtracted from the total losses, the difference between electrical and mechanical power. The remainder, ie. the rest losses in the machine, comprise mechanical losses, core losses, PM losses, PM plate losses and all of the copper losses not resulting from DC resistance. By measuring the No-Load losses at low speed, the mechanical loss (31W) and the core losses can be approximated.

The Full-Load core losses (18-41W) are also calculated through volumetric loss density simulation, using the Steinmetz Method, Jordan Method and the Bertotti Method. The methods are increasingly sophisticated and rely on the knowledge of material properties to be precise.

Though the simulated resistive PM losses are not of significance in the total loss picture, they are important for the performance of the machine, especially in an IPMSM, in part due to demagnetisation. They are simulated as resistive losses, and do not typically vary a lot with temperature. The resistive losses simulated in the PM plates are not large in the total losses aspect either, but carry the same importance as the PM losses, as they are hard to distribute, and will heat the PM if thermal management is not thought through. The intent and function of these plates should be further investigated, as their losses are greater than the losses in the PMs.

The residual copper losses are due to temperature rise, AC and proximity components, and circulating harmonic currents in the delta-configured winding. Of these, the greatest factor is estimated to be the temperature, which will increase the copper losses by 31.2%. The AC component is considered negligible for the the thin conductors, but the proximity component may not be. The circulating currents are not measurable at the terminals, and are therefore difficult to estimate, but they could be of significance to the machine design.

The measurement accuracy of the instruments in the laboratory setup is calculated and questioned, which brings the conclusion of needing more precise measurements in future experimental validation. This, along with a reconsideration of delta-connected machine, is the advice for IEL's continued laboratory investments.