Development of Methodologies for the Analysis and Design Optimization for AC Electric Rotating Machines

Abstract

Atualmente, a investigação e desenvolvimento na área das máquinas elétricas é cada vez mais impulsionada pelas necessidades em sectores económicos relevantes, como o dos transportes, agrícola e industrial, devido à crescente preocupação com a disponibilidade de matérias-primas, sustentabilidade dos ecossistemas e económica. Como resultado, a transição das tecnologias de tração baseadas em motores de combustão para máquinas elétricas coloca novos desafios de projeto, nomeadamente ao nível de densidade de potência, capacidade de sobrecarga, eficiência, gama de operação, robustez e tolerância a falhas. Portanto, para aplicações de elevado desempenho , a análise eletromagnética da máquina elétrica, incluindo o cálculo adequado da saturação magnética e de correntes de Foucault, torna-se estritamente necessária para uma correta avaliação dos pontos de operação mais exigentes. As técnicas comuns para o projeto das máquinas são baseados em métodos analíticos, que permitem tempos de cálculo muito curtos, mas, em contrapartida, a precisão das grandezas eletromagnéticas avaliadas é insuficiente para a análise pretendida. Por outro lado, a análise numérica baseada em elementos finitos é muito precisa, mas o elevado tempo de computação necessário pode impossibilitar procedimentos sistemáticos de otimização. Os métodos baseados em circuitos magnéticos equivalentes estão a ganhar maior relevância no projeto moderno de máquinas elétricas, uma vez que oferecem um bom compromisso entre precisão e tempo de computação.De modo a contribuir com soluções inovadoras para este relevante tópico de investigação, esta tese é dedicada ao estudo e desenvolvimento de novas metodologias de natureza abrangente para a análise e a otimização quer no projeto inicial quer durante o tempo de vida útil de máquinas elétricas rotativas de fluxo radial.Por um lado, uma das componentes que mais contribui para falhas na operação de máquinas elétricas rotativas alimentadas diretamente da rede é o enrolamento estatórico, sendo também esta componente a que mais concorre para as perdas totais da máquina. Portanto, o momento de reparação/recondicionamento oferece uma excelente oportunidade de melhoria da eficiência da máquina elétrica rotativa. Neste contexto, nesta tese é proposta uma nova estratégia global de otimização de projeto de enrolamento para a minimização do conteúdo espacial harmónico da força magnetomotriz no entreferro, da resistência elétrica e do peso do enrolamento. A estratégia desenvolvida utiliza um algoritmo evolucionário que permite que outros objetivos e restrições sejam facilmente definidos para a obtenção de outras características de performance desejadas. Os estudos de caso de experimentação e de simulação apresentados demonstram a relevância e aplicabilidade da metodologia desenvolvida, ao permitir o aumento da eficiência da máquina e a redução da quantidade de condutor necessária, promovendo a economia circular pela reutilização da máquina danificada ou obsoleta.Por outro lado, os novos desafios colocados por aplicações de elevado desempenho querem metodologias de otimização de projeto de ponta, a fim de permitir avaliar sistematicamente a topologia que conduz a maior densidade de potência e rendimento para um dado volume admissível. Para este objetivo, é necessário dotar o algoritmo de otimização de uma metodologia de análise eletromagnética de precisão e requisitos computacionais suficientes que permitam a avaliação correta da performance de um elevado número de candidatos num tempo admissível. Assim, é desenvolvida uma metodologia de desenho de um circuito magnético equivalente não-paramétrico para servir um algoritmo de otimização topológica. Esta metodologia foi validada pela comparação com análise de elementos finitos da simulação eletromagnética em regime de motor e gerador das três tecnologias principais de máquinas elétricas rotativas: assíncrona de indução, síncrona de ímanes permanentes e síncrona de relutância. O circuito magnético equivalente desenvolvido constitui um bom compromisso entre precisão e tempo computacional, podendo este compromisso ser ainda mais bem balanceado de acordo com o grau de definição da malha de relutâncias, tal como se um método de análise de elementos finitos se tratasse. Seguidamente, são propostas metodologias de otimização topológica de máquinas elétricas rotativas para uma fase de projeto inicial. O objetivo destas metodologias é permitir a investigação geral e quase universal de topologias de rotor para as diferentes tecnologias de motorização, e, portanto, as estratégias envolvidas utilizam preferencialmente métodos de desenho não-paramétricos. Os projetos obtidos demonstram a capacidade das metodologias desenvolvidas em gerar candidatos admissíveis de elevada performance e promover diversidade de opções, validando, assim, a relevância da aplicação destas metodologias na fase de projeto inicial de máquinas elétricas rotativas de fluxo radial.

In recent years, concerns regarding resources availability, environmental preservation, and economical sustainability are motivating increasing research in electric machinery, since the electrification of crucial economic sectors, such as the transport and agriculture/industrial sectors. As a result, these new trends in traction applications place a great challenge on the electric machine design for cutting edge power/weight and volume ratios, overload capability, efficiency, operation range, sturdiness, reliability, and fault tolerance requirements. Hence, in high performance applications, the design analysis must address a wide range of operating regimes for the correct estimation of magnetic field saturation and eddy currents. Most common approaches are analytical methods, which allow for fast computation, but at costs of low accuracy; conversely, numerical based methods, such as finite element methods, can be very accurate, but at the expense of low computational performance. As an alternative, the magnetic equivalent circuit is becoming more relevant in modern design trends, as it features an excellent compromise between accuracy and computational performance.In order to contribute with solutions to this relevant research topic, this thesis is dedicated to the study and development of novel general and comprehensive methodologies for the analysis and optimization at two different life stages of radial flux electric rotating machines.On one hand, stator winding failures represent one of the most common failures in direct-on-line electric rotating machines. This machine component contributes the most for the Joule loss generation, magnetomotive force, torque, and power factor, which are highly related to the machine performance. Therefore, currently operating electric machines offer several efficiency improvement opportunities which may arise with repair/rewinding needs. For this reason, in this thesis, a novel comprehensive winding design strategy is proposed for a controlled and reduced airgap magnetomotive force spatial harmonic content, electrical resistance and copper utilization, and magnetizing flux level. The winding designs are obtained by an evolutionary algorithm, thus the objective functions and constraints of the optimization model can adapt with ease to achieve different performance goals. Experimental and simulation case studies demonstrate the relevance and applicability of the proposed methodology to promote energy savings and circular economy, by avoiding the acquisition of new machines. Moreover, the methodology can be massively adopted by technicians, as it is computationally efficient and it requires readily available geometrical data, such as core radii, stack length, and rated electrical operation characteristics.On the other hand, new challenges in high performance electric machine applications require cutting edge design optimization strategies since the early design stages, which are capable to investigate the optimal candidates suiting the performance requirements through many design parameters. Whenever finite element analysis fails to ensure convergence within a reasonable timespan, magnetic equivalent circuits become a preferable choice for the performance analysis of the candidates. For these reasons, a non-parametric magnetic equivalent circuit is proposed for a simplified and automatic mesh generation to cope with modern design optimization strategies. The proposed method is thoroughly validated for the three main electric rotating machine technologies: asynchronous induction, synchronous permanent magnet, and synchronous reluctance. Simulation results for motoring and generation operation are compared with finite element analysis. The proposed magnetic circuit displays a good compromise between accuracy and computational time. Moreover, mesh refinements for accuracy improvements can be obtained by an increased number of tangential mesh elements. Then, methodologies for the topological optimization of different electric motoring technologies at early design conception are proposed. The aim of these optimization methodologies is to allow for the investigation of a very wide range of geometries, and, for this purpose, non-parametric design strategies are proposed. Additionally, a vast set of design decision variables is for the first time utilized to promote design comprehensiveness at every single component of the machine, from the stator and rotor geometries and airgap to the stator winding number of turns. The optimizations were conducted to maximize efficiency and power density, limiting the winding current to a maximum industrial grade current density. The resulting designs demonstrate the capability of the methodologies developed to generate high performance and diversified candidates, thus validating the proposed application as of most relevance for initial design concept studies.