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Design of a Bearingless Permanent Magnet Synchronous Machine with a Star Point-Connected Axial Active Magnetic Bearing

Dietz, Daniel (2022):
Design of a Bearingless Permanent Magnet Synchronous Machine with a Star Point-Connected Axial Active Magnetic Bearing. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020975,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Design of a Bearingless Permanent Magnet Synchronous Machine with a Star Point-Connected Axial Active Magnetic Bearing
Language: English
Abstract:

The bearingless synchronous machine is considered with slotted stator, cylindrical rotor with sleeve-protected surface-mounted permanent magnets and six actively controlled degrees of freedom as high-speed drive. The focus is set on two key aspects: The machine design under consideration of size-dependent scaling effects and a novel kind of feeding the excitation winding of the axial active magnetic bearing. Since the considered bearingless PM machines typically exhibit a low degree of magnetic saturation and are equipped with distributed windings, the two-dimensional analytical calculation is used to calculate the rotor suspension force and disturbing rotor forces. These calculations are used in the subsequent electromagnetic design process. At the beginning of the design process, boundary conditions are discussed, that are derived geometrically for the combined drive and suspension winding, structural mechanically for the sleeve height and thermally for the loss and output power density. On the basis of two different machine sizes, on the one hand approximately 1.5 kW and on the other hand approximately 60 kW at 75 mm and 130 mm outer diameter, respectively, at corresponding active axial length of 40 mm and 125 mm, this work shows, how the choice of pole count, bore diameter and magnet height influences the properties relevant for the rotor position control. It is concluded that an increase in pole count, a reduction in bore diameter and an increase in magnet height reduce the undesired parasitic lateral rotor forces, caused by rotor eddy currents and armature reaction. In order to investigate scaling effects, an analytical calculation is used, where the focus is set on the two-dimensional electrodynamic field calculation. By means of a 1 kW / 60000 rpm-prototype drive, consisting of a bearingless machine and a combined active radial-axial magnetic bearing, the accuracy of the results from calculation and simulation is verified. In order to reduce the number of required power electronic half-bridges, a concept is investigated, in which the axial magnetic bearing is supplied by a current between the star points of the combined winding sections in the bearingless machine. To do so the concept of the widely used space vector pulse-width modulation for 3-phase systems is extended to a double 3-phase system in a way that the axial magnetic bearing current corresponds to the sum current in the star point of one 3-phase system. This current can be controlled by the variation of the two star point electric potentials. However, additional current oscillations in the axial bearing current and in the 3-phase current can occur if the inverter is operated close to its voltage limit or if relatively high axial bearing currents must be provided at high dynamics. Anyway, the concept is considered a promising approach, since in this application as turbo-charger drive the disturbing effects do not occur.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In dieser Dissertation wird die lagerlose Synchronmaschine mit genutetem Stator, zylindrischem Rotor mit bandagierten Oberflächenmagneten und sechs aktiv geregelten Freiheitsgraden als Hochdrehzahl-Antrieb untersucht. Die Arbeit besitzt zwei inhaltliche Schwerpunkte: Die Maschinenauslegung unter Berücksichtigung von baugrößenabhängigen Skalierungseffekten und eine neuartige Variante, das axiale Magnetlager zu speisen. Da die betrachteten lagerlosen Maschinen in der Regel eine geringe magnetische Sättigung aufweisen und mit verteilten Wicklungen ausgestattet sind, wird zunächst die zweidimensionale analytische Feldberechnung herangezogen, um die Rotortragkraft und parasitäre Rotorkräfte zu berechnen. Diese Berechnungen bilden die Grundlage für die folgende elektromagnetische Grobauslegung der lagerlosen Maschine. Zu Beginn der Auslegung werden die Randbedingungen erläutert, die sich geometrisch für die kombinierte Antriebs- und Tragwicklung, strukturmechanisch für die Bandagenhöhe und thermisch für die Verlust- und Abgabeleistungsdichte ergeben. Anhand von zwei unterschiedlichen Baugrößen, nämlich Außendurchmesser: 75 mm, Aktivlänge: 40 mm, Nennleistung: ca. 1.5 kW und Außendurchmesser: 130 mm, Aktivlänge: 125 mm, Nennleistung: ca. 60kW, wird gezeigt, wie sich die Wahl der Polpaarzahl, des Bohrungsdurchmessers und der Magnethöhe auf die regelungstechnischen Eigenschaften der Maschine auswirken. Dabei wird deutlich, dass eine Vergrößerung der Magnethöhe, eine Erhöhung der Polpaarzahl und die Verringerung des Bohrungsdurchmessers die lateralen Störkräfte auf den Rotor durch Rotorwirbelströme und Ankerrückwirkung verringern. Um Skalierungseffekte abzuleiten, kommt die analytische Berechnung zur Anwendung, wobei der Fokus auf der zweidimensionalen elektrodynamischen Feldberechnung liegt. Anhand einer 1 kW / 60000 U/min-Prototypmaschine, bestehend aus einem lagerlosen Motor und einem kombinierten aktiven Radial-Axial-Magnetlager, wird die Genauigkeit der analytisch und simulativ gewonnen Ergebnisse validiert. Um die Anzahl der nötigen leistungselektronischen Halbbrücken zu verringern, wird außerdem ein Konzept untersucht, bei dem das axiale Magnetlager durch einen Strom zwischen den beiden Sternpunkten der kombinierten Wicklung des lagerlosen Motors gespeist wird. Dazu wird die herkömmliche Raumzeiger-Pulsweitenmodulation für dreiphasige Systeme auf ein doppelt-dreiphasiges System erweitert, in dem der Axiallagerstrom dem Summenstrom eines dreiphasigen Wicklungssystems im Sternpunkt entspricht. Dieser Strom kann durch die Beeinflussung des elektrischen Potentials der beiden Sternpunkte geregelt werden. Allerdings können bei diesem Konzept die Ströme des Axialmagnetlagers und der Drehstromwicklungen unerwünschte Schwingungen aufweisen, wenn der Umrichter nahe der Spannungsgrenze betrieben wird oder verhältnismäßig hohe Axiallagerströme hochdynamisch bereitgestellt werden müssen. Das vorgestellte Konzept des Axiallagers mit Nullstromspeisung wird dennoch als vielversprechend eingestuft, da in der hier betrachteten Anwendung als Turboladerantrieb diese Störeffekte nicht auftreten.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxvii, 348 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion > Electrical Energy Conversion
TU-Projects: DFG|BI701/22-1|Auslegung und Regelu
Date Deposited: 10 May 2022 11:05
Last Modified: 10 May 2022 11:05
DOI: 10.26083/tuprints-00020975
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-209759
Referees: Binder, Prof. Dr. Andreas ; Amrhein, Prof. Dr. Wolfgang
Date of oral examination: 14 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20975
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