High Performance Synchronous Reluctance Machines: Design and Applications

As one of the oldest machine topologies, the concept of synchronous reluctance (REL) machine can be traced back as early as 1900s. In the last 20 years, particularly, the REL machines have attracted more and more attention in both academic and industrial fields. Without permanent magnets and rotor bars, the rotor construction of the REL machine is more robust than either permanent magnet (PM) machines or induction machines (IMs). In addition, it achieves the merits of low cost, low maintenance, and high reliability. All these features reveal the REL machine to be an attractive alternative to the widely used machine topologies. Therefore, the investigation of REL machines is essential, and specific applications will be of great interest. In this thesis, the design and analysis of high performance REL machines are developed and discussed. Furthermore, two particular applications are investigated: REL motors for electric vehicle (EV) applications and self-excited reluctance generators (SERG) for isolated wind applications. To start with, the transversely-laminated anisotropy rotor type with multiple flux-barriers is chosen to be designed and analyzed. More specifically, a detailed parametric analysis of this kind of rotor geometry is carried out, which aims to suggest an automatic drawing and simulating procedure. The shape of flux-barriers is selected to achieve both high d-axis inductance and low q-axis inductance. Methods to properly design the geometry of barrier ends and PMs are adopted. Some tuning steps are suggested in order to achieve the high performance design. Such a procedure is then used to rapidly analyze the impact of some rotor parameters on the machine performance, in order to provide a guideline for the preliminary design of the REL machine. After that, as a practical example, a REL motor according to the dimension of a commercial motor is designed. Certain design procedures are followed, and optimization is also carried out. The performance comparisons between the optimized REL motor and the commercial product are given. Merits and defects of the REL machine for EV application are highlighted. The study on SERG starts with the recognition of the steady-state performance, both analytically and experimentally. The conditions related to successful self-excitation in SERG, such as required capacitance, rotor residual magnetism, rotor acceleration and pre-charging capacitors, are investigated. The possibility to adopt self-excited PM-assisted reluctance generator is also dealt with, and the performance comparison with SERG is made. The effect of some design parameters on the performance of the PMAREL generator is analyzed. Referring to wind applications, the method to maintain the generated voltage constant at variable speeds is proposed. Finally, the prediction of the "optimal capacitor and resistor combination" that achieves the maximum utilization of the mechanical power produced by the wind turbine will be presented.

L’idea di macchina sincrona a riluttanza (REL) può essere rintracciato già a partire dal 1900. Negli ultimi 20 anni, in particolare, le macchine REL hanno attirato sempre più attenzione sia nel settore accademico che in quello industriale. Senza magneti permanenti e barre del rotore, la costruzione del rotore della macchina REL è più robusta delle macchine a magneti permanenti (PM) o delle macchine a induzione (IM). Inoltre, ha un basso costo, necessita di poca manutenzione e è altamente affidabile. Tutte queste caratteristiche fanno della macchina REL è un'alternativa interessante alle topologie di macchine ampiamente utilizzate come macchine a magneti permanenti o ad induzione. Pertanto, lo studio delle macchine REL è di grande interesse. In questa tesi la progettazione e l'analisi di macchine REL ad alte prestazioni vengono sviluppate e discusse. Inoltre, vengono studiate due applicazioni particolari: motori REL per veicoli elettrici (EV) e generatori a riluttanza autoeccitati (SERG) per applicazioni con vento isolato. Per iniziare, il tipo di rotore anisotropo laminato trasversalmente con più barriere di flusso viene scelto per essere progettato e analizzato. Nello specifico, viene eseguita un'analisi parametrica dettagliata di questo tipo di geometria del rotore, che mira a suggerire una procedura di disegno e simulazione automatica. La forma delle barriere di flusso viene selezionata per raggiungere un valore di induttanza alto sull’asse d e basso sull’asse q. Metodi specifici per progettare correttamente la geometria delle estremità di barriera e dei PM vengono utilizzati e descritti. Particolari procedure per evitare errori nella geometria vengono applicate. Tali procedure sono utilizzate per analizzare rapidamente l'impatto di alcuni parametri del rotore sulle prestazioni della macchina, al fine di fornire linee guida per la progettazione preliminare della macchina REL. Successivamente, come esempio pratico, viene progettato un motore REL con le dimensioni di un motore commerciale. Alcune procedure di progettazione sono eseguite insieme all'ottimizzazione. Vengono forniti i confronti delle prestazioni tra il motore REL ottimizzato e il prodotto commerciale. Meriti e difetti della macchina REL per l'applicazione EV vengono evidenziati. Lo studio su SERG inizia con il riconoscimento delle prestazioni allo stato stazionario, sia analiticamente che sperimentalmente. Vengono esaminate le condizioni relative all'autoeccitazione del SERG, quali capacità richiesta, magnetismo residuo del rotore, accelerazione del rotore e condensatori di precarica. Viene inoltre trattata la possibilità di adottare un generatore di riluttanza assistito da PM autoeccitato e viene eseguito il confronto delle prestazioni con SERG. Viene analizzato l'effetto di alcuni parametri di progettazione sulle prestazioni del generatore PMAREL. Riferendosi alle applicazioni eoliche, viene proposto un metodo per mantenere costante la tensione generata a velocità variabile. Infine, verrà presentata la previsione della "combinazione ottimale di condensatore e resistore" che raggiunge il massimo sfruttamento della potenza meccanica prodotta dalla turbina eolica.