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Azionamenti elettrici con motori sincroni per trazione Nicola Bianchi Department of Industrial Engineering University of Padova 35131 Padova (ITALY) [email protected] LE PROSPETTIVE DELLA TRAZIONE FERROVIARIA PER GLI ANNI 2020 - 2030

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Azionamenti elettricicon motori sincroni

per trazione

Nicola Bianchi

Department of Industrial EngineeringUniversity of Padova

35131 Padova (ITALY)[email protected]

LE PROSPETTIVE DELLA TRAZIONEFERROVIARIA PER GLI ANNI 2020 - 2030

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Outline

1 Synchronous Permanent Magnet Motor

2 Synchronous Reluctance Motor

3 The PM assistance

4 Synchronous IPM Motor

5 Conclusions

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 2

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

SynchronousPermanent Magnet (PM)

Motor

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 3

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The synchronous SPM motorhigh torque density,high efficiency,high dynamics.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 4

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Rare earth PMHigh magnetic energy and high coercive force.

−2000 −1500 −1000 −500 0−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

Magnetic field (kA/m)

Flu

x d

en

sity

(T

)

20°C140°C sintered

NdFeBN45UH

Ferrite C12

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 5

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Surface Mounted PM motorThe PMs are mounted on the rotor surface

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 6

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Stator and rotor

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 7

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

PM glueing and rotor bandage

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 8

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Rotor bandage

for high speed applications

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 9

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Non-overlapped coil toothto reduce the end-winding length (weight and cost).

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 10

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Vector diagramLow leakage inductance Lσ.High power factor cosϕ.Only torque current Iq (no magnetizing current Id ).Lower Joule losses and high efficiency.

d axis

q axis

ie

ve

I

Λpmj- IqLσ

IqLj σΛpm

Iq=j

=90°

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 11

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Howeverthere are also some drawbacks.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 12

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Rotor lossesdue to current time harmonics and MMF space harmonics.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 13

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Limited flux-weakening operations

No capability of constant-power versus speed operationThis implies an oversize of the inverter VA rating.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 14

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

SynchronousReluctance

Motor

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 15

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The synchronous reluctance (REL) motoris attractive thanks to its

absence of rare-heart permanent magnet,high torque density,fault–tolerant capability.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 16

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

In REL machine:a high permeability path.It is referred to as the direct–axis path.

d

q

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 17

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

In REL machine: two different rotor paths for the fluxa low permeability path.It is referred to as the quadrature–axis path.

d

q

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 18

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

REL motorThe higher flux linkage along d–axis.

The q–axis flux linkage is limited by the rotor flux barriers.

−6 −4 −2 0 2 4 6−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Corrente assorbita [Apk]

Flussiconcatenati[Vs]

flusso di asse−qflusso di asse−d

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 19

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The flux linkages can be expressed as

λd = Ld idλq = Lq iq

The rotor saliency is defined asthe ratio between the d– and q–axis inductance:

ξ =Ld

Lq

Average torque

τdq =32

p(Ld − Lq)iq id

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 20

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The REL motor is current controlledId current is the “magnetizing” currentIq current is the “torque” current

d axis

q axis

Id

LdId

Iq

ie

ve

IV

φ

LdIdj

IqLqj

- IqLq

they are combined to get the maximum torque density.N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 21

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Torque map in the Id–Iq plane

Constant torque curve as a function of Id and Iq

0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 0.5 1.0 1.5 2.0

q-ax

is c

urre

nt

d-axis current

Motor torque

max TI

(p.u.)

(p.u

.)(p.u.)

0.25

0.5

0.75

1.0

1.25

1.5

1.75

2.0

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 22

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

A drawback: the quite low power factor.The voltage vector leads the current vectorof a quite large angle ϕ.

d axis

q axis

Id

LdId

Iq

ie

ve

IV

φ

LdIdj

IqLqj

- IqLq

The volt-ampere ratings of the inverteris 30 to 40 % higher than mechanical output power.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 23

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Test benchfor measuring torque vs current angle and torque ripple.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 24

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Experimental resultsAverage torque versus current angle of REL motor.Currents used in the tests are 5 A, 10 A, 15 A and 20 A

non-skewedrotor

skewed rotor

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 25

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

REL motor: torque and power versus speedExperimental versus simulated results.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 26

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Mechanical stress on rotor bridges

Rotor iron bridgesare designed so asto sustain bothmagnetic andcentrifugal forces.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 27

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The PM assistance

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 28

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

PM assisted synchronous reluctance (PMAREL) machineA PM can be inset in the rotor flux–barriers.The aim:

to saturate the rotor iron bridges,to increase the motor torque,to increase the power factor.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 29

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Rectangular holes have to be considered so asto inset the PM within the rotor flux–barriers

Insertion of the assisting PMs into rotor flux–barriers

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 30

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

a part of the PM flux tends to saturate the iron bridgesThis implies:

an increase of the torque andan increase of the power factor.

Part of the PM flux flows into the iron bridges.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 31

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

There are advantages in adopting PMs.The PM added along the negative q–axiscompensates the flux linkage LqIq.

d axis

q axis

IdLdId

Iq

ie

ve

I

V

φ

LdIdj- IqLq

mj

IqLqj

m-j

Vector diagram of PMAREL motor.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 32

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The advantage is twofold.1 An increase of the power factor.

Thus, a PMAREL motor requires lower Volt-Ampererating for given nominal mechanical power.

2 The electromagnetic torque of the motor increases.

A PM torque term is added to the reluctance torqueterm.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 33

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Air–gap flux density distribution

0 100 200 300 400 500 600 700−0.2

−0.1

0

0.1

0.2

Bn

(T)

The added PM is minimumto maintain the intrinsic fault–tolerant capability.

the back EMF is low,the short–circuit current is lowthe corresponding braking torque is low.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 34

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

PMAREL motor: torque and power versus speedExperimental versus simulated results.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 35

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Drawbackthere is a high torque ripple, if not correctly designed.

Remedial strategies1 rotor skewing (step–skewing);2 suitable choice of the number of flux–barriers,3 shifting of the flux–barriers;4 asymmetry of the flux–barrier geometry.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 36

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

REL motor — Skewing effect on torque ripplemeasured torque versus mechanical position I = 10 A

0 90 180 270 360

11

12

13

Torq

ue[N

m]

θm

[degrees]

non skewed rotor

0 90 180 270 360

11

12

13

Torq

ue[N

m]

θm

[degrees]

skewed rotor

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 37

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

REL motor — Skewing effect on torque ripplemeasured torque versus mechanical position I = 20 A

0 90 180 270 36022

24

26

28

Torq

ue[N

m]

θm

[degrees]

non skewed rotor

0 90 180 270 36022

24

26

28

Torq

ue[N

m]

θm

[degrees]

skewed rotorN. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 38

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Photos of the "Romeo and Juliet" laminations

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 39

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Photo of the "Machaon" lamination

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 40

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Measured torque comparisonsymmetric PMAREL motor

0 90 180 270 3602

2.1

2.2

2.3

Angular position (mechanical degrees)

Tor

que

(N

m)

"Romeo and Juliet" motor

0 90 180 270 3601.8

1.9

2

2.1

Angular position (mechanical degrees)

Tor

que

(N

m)

"Machaon" motor

0 90 180 270 3602

2.1

2.2

2.3

Angular position (mechanical degrees)

Tor

que

(N

m)

The resulting torque ripple is about one third.N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 41

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

SynchronousInterior Permanent Magnet (IPM)

Motor

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 42

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The PM within the flux barrier is a rare earth PM.Interior PM (IPM) machine.The aim is

the increase of the motor torque,the improvement of the torque vs speed characteristic.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 43

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

An IPM motor for an electric scooterStandard stator.Two flux–barriers per pole in the rotor.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 44

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

A 12–slot 10–pole prototype with non–overlapped coilsand two flux–barriers per pole in the rotor.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 45

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Picture of the rotor lamination

In fractional-slot winding machinesthe reluctance torque component is reduced

The dominant torque component is due to the PM flux.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 46

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Picture of the rotor laminationIPM motor lamination for naval propulsion system

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 47

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Fractional–slot winding with non–overlapped coilsallows a physical separation between the phases.

A dual–three phase fractional–slot IPM machineis characterized by two identical windings,each supplied by a separate inverter.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 48

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

To achieve a smooth torque is a challengein fractional–slot machine with anisotropic rotor.

2

1

3

45

6

7

8

9

10 11

12

2

1

3

45

6

7

8

9

10 11

12

Two-layer winding Four-layer winding

It is also possible to optimize the windingadjusting the number of conductors of the coilsso that specific harmonics can be canceled.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 49

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

The torque ripple results to be always lower than 5%,regardless to the adopted trajectory.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 50

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Conclusions

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 51

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Synchronous SPM motor:Advantages:

high torque density,high efficiency

Drawbacks:expensive PMs,no suitable for Flux-weakening.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 52

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Synchronous REL motor:Advantages:

robust and cheap structure,fault-tolerant,

Drawbacks:low Power Factor,mechanical limit at very high speed.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 53

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Synchronous IPM and PM–assisted REL motor:Advantages:

a Power Factor improvement,good Flux–Weakening capability,

Drawbacks:limited overload,high torque ripple.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 54

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

Thank youfor your attention

Department of IndustrialEngineering

University of Padova — Italy

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

N. Bianchi.Electrical Machine Analysis using Finite Elements.Power Electronics and Applications Series. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, USA,2005.

N. Bianchi. Analysis of the IPM motor – Part I, Analytical approach, in ”Design, Analysis, and Controlof Interior PM Synchronous Machines“ (N. Bianchi, T.M. Jahns editors),IEEE IAS Tutorial Course notes, IAS Annual Meeting, CLEUP, Seattle, October 3, 2005, chapter 3,pages 3.1–3.33 ([email protected]).

N. Bianchi, M. Dai Pré, and S.Bolognani."Design of a fault–tolerant ipm motor for electric power steering."Proc. of IEEE Power Electronics Specialist Conference, PESC’05, 12–16 June 2005.

N. Bianchi, S. Bolognani, Ji-Hoon Jang, and Seung-Ki Sul.“Comparison of PM motor structures and sensorless control techniques for zero-speed rotor positiondetection.”IEEE Trans. on PE, vol.22, no.6, pp. 2466 –2475, Nov. 2007.

N. Bianchi and S. Bolognani."Reducing torque ripple in pm synchronous motors by pole shifting."Proceedings of International Conference on Electrical Machines, ICEM, Aug. Helsinki, 2000.

N. Bianchi, S. Bolognani, D. Bon, and M. Dai Pré,"Rotor flux-barrier design for torque ripple reduction in synchronous reluctance and pm-assistedsynchronous reluctance motors,"IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 45, no. 3, pp. 921 –928, May-June 2009.

M. Barcaro and N. Bianchi.“Interior PM Machines using Ferrite to Substitute RareâEarth Surface PM Machines.”Conf. Rec. of Int. Conf. of Electr. Machines, ICEM, Marsille (F), pp. 1–7, June 2012.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 56

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SynchronousPermanentMagnet Motor

SynchronousReluctanceMotor

The PMassistance

SynchronousIPM Motor

Conclusions

Padova, 17 marzo 2017

N. Bianchi, M. Dai Prè, G. Grezzani, and S.Bolognani,“Design Considerations on Fractional–Slot Fault–Tolerant Synchronous Motors,”IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 42, no. 4, pp. 997–1006, 2006.

M. Barcaro, N. Bianchi, and F. Magnussen,“Analysis and Tests of a Dual Three-Phase 12-Slot 10-Pole Permanent-Magnet Motor,”IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 46, no. 6, pp. 2355–2362, Nov./Dec. 2010.

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L. Alberti, M. Barcaro, and N. Bianchi“Design of a Low Torque Ripple Fractional-slot Interior Permanent Magnet Motor.”Conf. Rec. of the 2012 IEEE Energy Conversion Conference and Exposition, ECCE, Raleigh NC, USA,vol. 1, pp. 1–8, 2012.

L. Alberti and N. Bianchi,“Theory and design of fractional-slot multilayer windings,”Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE, Sept. 2011, pp. 3112 –3119.

N. Bianchi Synchronous Motor Drives for traction applications 57