Design, Optimization and Comparison of
Spoke-Type Synchronous Motor and
Permanent-Magnet Assisted
Synchronous Reluctance Motor in
Home Appliance Applications
vorgelegt von
M. Sc.
Shouhui Ni
ORCID: 0000-0002-3453-3388
von der Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
-Dr.-Ing.-
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzenderin: Prof. Dr.-Ing. Sibylle Dieckerhoff
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Uwe Schäfer
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Rolf Schuhmann
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Shanming Wang
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 8. November 2021
Berlin 2021
Zusammenfassung
In den letzten Jahren ist ein interessanter Trend beim Design von Motoren mit hohem
Wirkungsgrad und geringen Kosten die Entwicklung von Motoren mit geringem Seltenerd-
Anteil und solchen ohne Seltenerdmagnete, da diese Materialien hohe Kosten verursachen
und die Versorgungskette zeitweise instabil wurde. Zu den potenziellen Kandidaten zur
Lösung des Problems zählen geschaltete Reluktanzmotoren, Synchron-Reluktanzmotoren
und Synchronmotoren mit innenliegenden Ferritmagneten.
Diese Arbeit beschreibt eine Auslegung auf Basis des letztgenannten Prinzips. Für
das Antriebssystem einer Waschmaschinen-Trommel wurden zwei Motortypen ausge-
wählt und erforscht, nämlich der Speichen-Synchronmotor und der Permanentmagnet-
unterstützte Synchron-Reluktanzmotor. Der Speichen-Synchronmotor kann aufgrund der
Flusskonzentrationseffekte der Struktur eine höhere Flussdichte im Luftspalt erreichen.
Der Permanentmagnet-unterstützte Synchronmotor hat normalerweise eine stärkere
magnetische Unsymmetrie, was einen größeren Unterschied zwischen den Induktivitäten
in der d- und q-Achsen bewirkt und so zu einem höheren Reluktanz-Drehmoment führt.
Um einen fairen Vergleich der beiden Motortypen durchführen zu können, wurde
ein automatisches Optimierungsverfahren ausgewählt, das auf parametrischen Finite-
Elemente-Modellen und verschiedenen Optimierungsalgorithmen basiert. Die Bewertung
der Systeme basiert auf zwei typischen Betriebspunkten. Einer davon hat ein höheres
Drehmoment und eine niedrigere Drehzahl, während der andere ein niedrigeres
Drehmoment und eine höhere Drehzahl hat. Randbedingungen wurden durch Hinzufügen
von Straffunktionen zur Zielfunktion berücksichtigt, und anhand von unterschiedlichen
Strafkoeffizienten priorisiert. Es wurden drei Optimierungsalgorithmen betrachtet: ein
genetischer Algorithmus, die Nelder-Mead-methode und die Quasi-Newton-Methode, die
jeweils einen stochastischen, einen deterministischen, aber differentialfreien und einen
deterministischen Algorithmus unter Nutzung der Differentiale darstellen. Verschiedene
Konfigurationen, die durch Kombinieren verschiedener Algorithmen entstehen, wurden
getestet und miteinander verglichen. Schließlich wurde die Kombination des genetischen
Algorithmus und Nelder-Mead-methode als endgültige Lösung für weitere Analysen
ausgewählt.
Basierend auf diesem Optimierungsverfahren wurden sowohl ein Speichen-
Synchronmotor als auch ein Permanentmagnet-unterstützter Synchron-Reluktanzmotor
berechnet und endgültige Auslegungen für beide durchgeführt. Für die Speichen-
Synchronmotoren wurden verschiedene Rotoranordnungen unter den gegenläufigen
Aspekten der mechanischen und der Entmagnetisierungs-Festigkeit bewertet.
Berechnungen mit einschichtigen Wicklungen und zweischichtigen Wicklungen zeigen,
dass letztere bessere Entmagnetisierungseigenschaften aufweist. Eine Konfiguration
mit kürzerer Stator- und längerer Rotor-Blechpaketlänge wurde ebenfalls untersucht.
Aufgrund mechanischer Probleme bei hoher Drehzahl, die durch einen größeren
Abstand zwischen den beiden Lagern verursacht wurden, wurde diese Struktur
bei der endgültigen Konstruktion nicht übernommen. Eine weiteres Design wurde
für einen Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor basierend auf
einem analogen Optimierungsprozess erarbeitet. Vor der endgültigen Fertigung
wurden die endgültigen Auslegungen nochmals hinsichtlich mechanischer Festigkeit,
Entmagnetisierung, Drehmoment und Temperatur überprüft.
Beide Maschinen wurden auf einem Prüfstand untersucht. Es wurden Leerlauf,
Kurzschluss und Lastprüfungen sowie je ein Erwärmungslauf durchgeführt. Die
Ergebnisse validieren das Optimierungsverfahren und die Simulationen. Auf Basis der
Ergebnisse von Experimenten und Simulationen wurde dann eine Zusammenfassung
gegeben.
iv
Abstract
In recent years, an interesting trend of the design of electrical motors has been the
development of rare-earth-free motors or such of reduced rare-earth content with high
efficiency and low cost as rare-earth material usually suffers from high cost and unstable
supply. Potential candidates include switched reluctance motors, synchronous reluctance
motors and interior permanent magnet synchronous motors with ferrite magnets.
In this thesis, research is focused on interior permanent magnet synchronous motors
with ferrite magnets. Two types of motors were selected and designed for application
in a drum drive for washing machines: the spoke-type synchronous motor and the
permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor. The spoke-type synchronous
motor can achieve higher flux density in the air gap due to the flux concentrating effects
of its structure. The permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor usually
render a higher saliency ratio, which means larger difference between the inductances in
d- and q-axes leading to an increase of reluctance torque.
An automatic optimization procedure based on parametric finite element model and
different optimization algorithms was established in order to perform a fair comparison
of both types of motors. The evaluations of performance were based on two typical
operating points: one with high torque and low speed and the other one with low torque
and high speed. Various constraints have been taken into account by adding penalty
functions into the objective function, classified into priority levels labeled with different
penalty coefficients. Three optimization algorithms have been considered: a genetic
algorithm, the Nelder-Mead method and the quasi-Newton method, representing a
stochastic algorithm, a non-derivative based deterministic and a deterministic algorithm
with derivative information, respectively. Different configurations formed by combining
the named algorithms have been tested and compared. Finally, the combination of a
genetic algorithm and the Nelder-Mead method was chosen for further analyses.
Based on the optimization procedure, both of spoke-type synchronous motor and
permanent-magnet assisted synchronous reluctance motor were laid out, and final designs
of them have been achieved. For the spoke-type synchronous motor, different rotor
layouts have been discussed in aspects of mechanical strength and resilience against
demagnetization. The difference between single- and double-layer windings have also
been investigated, including the interesting result that the design with double-layer
winding has better performance of anti-demagnetization than that with single-layer
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