Dual Inverter Fed Brushless Wound Rotor Synchronous Machine Utilizing Sub-Harmonic Excitation

Abstract

최근에 영구자석 전동기는 고정된 속도를 높은 정확도로 제어할 수 있게 되면서, 많은 연구자들에게 각광받고 있다. 그러나 영구자석인 희토류의 높은 가격과 넓은속도 영역을 갖지 못하는 한계점은 영구자석 전동기를 만드는데 고려해야 할 중요한 사항이다. 반면에, WRSM은 가격이 낮고, 영구자석이 사용되지 않으며, 넓은 범위의 속도영역을 구동할 수 있다. WRSM은 계자권선에 직류를 인가하여, 회전자에 자속을 생성한다. 여기서, 직류전류는 브러시와 슬립링의 구조나 브러시리스 구조를 사용하여 회전자 권선에 인가된다. 브러시와 슬립링 구조는 기계적인 손실 및 유지보수의 문제가 있으며, 이 때문에 최근에는 브러시리스 구조를 사용한 연구가 진행되고 있다. 이 연구는 고정자 기자력의 저조파 성분에 대한 생성 및 활용에 WRSM의 브러시리스 여자방법에 대한 새로운 방법을 제시하였다. 이 방법은 고정자 권선에 이중 인버터 토폴로지를 적용하였다. 이 아이디어는 기본파 성분과 함께 고정자 기자력의 저조파 성분을 활용하는 것이다. 회전자에 두 가지의 서로 다른 권선이 존재: 1) 여자권선 2) 계자 권선이다. 저조파 성분은 여자 권선에서 전압을 유도하고, 계자권선을 통해 회전자의 정류기에 공급한다. 이 제안된 모델은 4극 24슬롯의 브러시리스타입 WRSM로 2차원 유한요소해석을 통해 분석하고 검증하였다. 또한, 유사한 토폴로지를 갖는 새로운 8극 48슬롯 모델을 제안하였다. 이 새로운 모델은 이전의 4극 24슬롯 모델이 가지는 불균형적인 경방향의 힘을 갖지 않는다. 이 8극 모델의 권선은 더 높은 전류 부분과 더 낮은 전류 부분이 4극 모델에서처럼 고정자 주변의 두 반대편에 있지 않도록 고정자 주변의 양쪽에 위치한다. 그 결과, 높은 전류가 흐르는 권선에서 발생되는 힘은 서로 균형을 이루며, 이와 유사하게 낮은 전류가 흐르는 권선에서 발생되는 힘도 균형을 이룬다. 2차원 유한요소 해석은 경방향으로 나오는 힘을 분석하는데 사용 되었다. 마지막으로, 제안된 모델의 프로토 타입을 제작하고, 기존의 WRSM과 성능을 비교하기 위해 실험하였다. 제안된 BL-WRSM의 구동은 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증되었다. 제안된 BL-WRSM은 스타팅 토크를 증가시키고, 토크밀도를 높이기 위해 새로운 보조 영구자석을 가진 토폴로지가 도입 되었다. 이 토폴로지에서는 BL-WRSM에 영구자석을 추가하였고, 이는 하이브리드형 BL-WRSM을 만들었다. 또한, 우리는 하이브리드형 BL-WRSM의 약자속 구동에 대해서도 논의하였다. 이 전동기는 스타팅 토크가 높았으며, 전 부하 조건에서 더 나은 성능을 가졌다. 이 하이브리드형 BL-WRSM은 유한요소 해석을 통해 분석되었으며, 기존의 BL-WRSM의 성능과 비교되었다. 마침내, 프로토타입은 영구자석을 포함한 회전자와 포함하지 않은 회전자 두 가지를 제작하였으며, 그 성능을 입증하기 위한 실험을 수행하였다. 또한, BL-WRSM의 토폴로지는 버니어 머신으로도 구현 가능하다. 본 연구에서는 전기 자동차나 세탁기와 같은 변속이 용이한 어플리케이션에 제안되었다. 농형 회전자는 제안된 저조파의 브러시리스 토폴로지를 통해 여자되어졌다. PMVM과 다르게, 제안된 BL-WRVM은 변속 구동을 위해 회전자의 자속을 쉽게 조절할 수 있도록 하였다. 4극 24슬롯 고정자와 44극 외전형 회전자로 설계 되었으며, 제안된 전동기의 성능을 확인하기 위해 2차원 유한요소 해석을 진행하였다. 제안된 전동기의 성능을 향상시키기 위해서, 회전자 및 고정자 권선의 턴 수에 대한 최적화가 진행되었다. 최적화된 모델은 넓은 구동속도 영역을 가지기 위해서 추가적인 해석을 진행하였으며, 모델의 성능은 동일한 PMVM와 비교되어졌다. 제안된 전동기는 영구자석이 적은 구조를 가지기 때문에 낮은 비용으로 제작할 수 있는 이점이 있으며, 넓은 구동속도 영역을 가지는 어플리케이션에 적합하다s.; Recently, the PM machines are under the spot light because of their high-accuracy fixed-speed drives. But the high price due to the PM material and limited high-speed operation, are key considerations while making these kinds of machines. In contrast, WRSMs are low price, PM-free machines, and they can be used for a wide range of speeds. In the WRSMs, field winding is used which is supplied with a direct current (DC) that generates the rotor flux. A dc current can be applied to the rotor winding either using the brush and slip-ring structure or brushless excitation method. The brushes and slip rings have losses and maintenance issues. Different brushless techniques have been introduced in the recent past. This research work presents a new concept for brushless excitation of a WRSM based on the generation and utilization of a sub-harmonic component of the stator MMF. In this method, a dual inverter topology for the stator winding is proposed. The idea is to generate and utilize an additional sub-harmonic stator MMF component along with the fundamental component. The rotor carries two different windings: 1) excitation winding and 2) field winding. The sub-harmonic component induces voltage in the excitation winding and feeds the field winding through a rotating rectifier on the rotor. A 2- D model for the machine was developed based upon the proposed BL-WRSM, with 4-pole 24 slots. FEA was performed to analyze and verify the proposed BL-WRSM. Further, a new 8-pole 48 slot model for the similar topology is proposed which avoids the unbalanced radial force which was present in the previous 4-pole 24 slots model. For this 8-pole model, windings are placed on the stator of the machine such that the higher current portion and lower current portion are not on the two opposite sides of the stator periphery as it was in the 4-pole model, rather each portion has its place on both side of the stator periphery. As a result, the force from the higher current windings balances each other and similarly the forces from lower current windings balances each other. 2-D FEA is used to analyze the radial force. Finally, a prototype of the proposed model is built and tested to compare its performance with conventional WRSM. Simulated and experimental results validated the proposed BL-WRSM operation. In order to improve the starting torque and increasing the torque density of the proposed BL-WRSM, a new PM assisted topology is introduced. In this topology, additional PMs were introduced on the rotor of the BL-WRSM, making it a hybrid BL-WRSM. We also discussed the field weakening operation for the hybrid BL-WRSM. The hybrid BL-WRSM offered advantages for starting the machine and provided better performance under full-load conditions. The FEA was used to analyze the performance of the hybrid BL-WRSM, and we compared its performance with BL-WRSM. Finally, prototypes were built with and without the PM-assistance, and experiments were conducted to demonstrate their performance. Further, the brushless wound rotor topology is implemented for the vernier machine. In this work, a PM-less, brushless, wound-rotor vernier machine (BL-WRVM) is proposed for variable speed applications such as electric vehicles and washing machines. The wound rotor is excited through the proposed sub-harmonic brushless topology. Different from PMVMs, the proposed BL-WRVM provides easy regulation of the rotor flux for variable speed operation. A 24-slot, 4-pole stator, and 44-pole outer rotor were designed, and 2D-FEA was carried out to determine the performance of the proposed machine. To improve the performance of the proposed machine, optimization of the rotor and stator winding turns was done. The optimized model was further analyzed for wide-speed operation, and its performance was then compared with that of an equivalent PMVM. The proposed machine has the advantage of low cost due to its PM-less structure and is suitable for variable speed applications.