Advanced Design and Optimization of Anisotropic Synchronous Machines

This work covers many research aspects of anisotropic synchronous motors, which are synchronous reluctance (SyR), permanent magnet assisted synchronous reluctance (PMaSyR) and interior permanent magnet (IPM) machines. In fact, all these kinds of machines exhibit quite a strong reluctance torque component, hence the name anisotropic. From the early 2000s, the design of electric machines started to deeply rely on finite element analysis (FEA) coupled to automatic optimization algorithms. This workflow enabled the machine designer to make fewer initial sizing hypotheses and to explore a wider design space. The drawbacks of this approach are that the time required is long and that the computational resources needed are quite large. However, the computing performances have always been improving over the years, especially when multi-processor architectures became widespread. Therefore nowadays it is common to employ tens or even hundreds of cores on cluster PCs to perform FEA during optimization runs. The thesis is structured as follows. The first part gives the background knowledge needed to develop the topics covered in the following. This comprehends an introduction to the machines studied, some general knowledge about magnetic materials, some basic concepts about the differential evolution (DE) algorithm, and the drawing of fluid rotor flux-barriers. The second part deals with the analytical modeling of SyR and PMaSyR machines. The complete model is nonlinear and may become convoluted to develop especially in an industrial environment. Therefore, using simplifying assumptions, a handful of simple equations can be derived. This simple model is also extended and applied to asymmetric rotor structures, which try to compensate torque harmonics. The third part focuses on applied multi-objective optimizations coupled to FEA for many different case studies. In particular, a SyR motor (SyRM) for pumping applications is optimized, prototyped and tested. Then, a feasibility study on a very low speed PMaSyR motor is carried out through multi-objective optimization. After that, high speed SyRMs are studied and optimized to understand the power limits of this kind of machine. Finally, the DE multi-objective optimization algorithm is also applied to improve the sensorless-control capabilities of anisotropic machines by design.

Questo lavoro analizza molti aspetti di ricerca dei motori sincroni anisotropi, che includono le macchine sincrone a riluttanza pura (SyR), a riluttanza assistita da magneti (PMaSyR) e le macchine a magneti permanenti interni (IPM). Infatti, tutte queste macchine esibiscono una forte componente di riluttanza, da cui il nome anisotrope. Dai primi anni 2000, la progettazione di macchine elettriche ha cominciato a basarsi in modo consistente sull’analisi agli elementi finiti (FEA) accoppiata ad algoritmi di ottimizzazione automatici. Questo flusso di lavoro permette al progettista di fare un minor numero di ipotesi preliminari e di esplorare uno spazio di progetto più ampio. Gli svantaggi di questo approccio sono che il tempo richiesto è lungo e che le risorse computazionali richieste possono essere elevate. Tuttavia, le prestazioni dei computer migliorano di anno in anno, e in particolar modo con la diffusione delle architetture a multi-processore. Pertanto oggigiorno è comune impiegare decine o persino centinaia di core su cluster di PC per effettuare analisi agli elementi finiti durante un’ottimizzazione. La tesi è strutturata nel seguente modo. La prima parte copre le conoscenze di base necessarie a sviluppare gli argomenti trattati nel seguito. C’è quindi un’introduzione alle macchine studiate, delle conoscenze generali sui materiali magnetici e ferromagnetici, alcuni concetti di base sull’algoritmo di ottimizzazione differential evolution (DE) utilizzato, e il disegno delle barriere fluide dei rotori di macchine a riluttanza. Nella seconda parte si sono sviluppati modelli analitici di macchine SyR e PMaSyR. Il modello completo è non lineare e può diventare abbastanza complesso da sviluppare, specialmente in un contesto industriale. Pertanto, usando alcune ipotesi semplificative, si possono derivare alcune semplici equazioni di progetto. Questo modello semplice è anche esteso e applicato a strutture di rotore asimmetriche, che tentano di compensare alcune armoniche di coppia. La terza parte si concentra sull’applicazioni di ottimizzazioni multiobiettivo accoppiate a FEA per alcuni casi di studio. In particolare, si è ottimizzato, prototipato e testato un motore SyRper pompe centrifughe. Poi, è stato condotto uno studio di fattibilità per un motore PMaSyR attraverso ottimizzazioni multi-obiettivo. Dopodiché si sono studiati motori SyRper alte velocità e si sono dedotti i limiti di potenza di questa macchina. Infine l’ottimizzazione DE multi-obiettivo è stata anche applicata per migliorare le capacità di controllo sensorless delle macchine anisotrope già in fase di progetto.