Dual-Mode Brushless Wound Rotor Synchronous Machine for High Starting Torque

Abstract

The permanent magnet synchronous machines (PMSMs) had a wide range of applications in industrial equipment due to high efficiency, high torque density, and robust structure. On the other hand, the usage of permanent magnet (PM) and inverter in the PMSMs increased the cost and complexity of these machines. To have a synchronous machine without using PM, the wound rotor synchronous machine (WRSM) with the advantages of low cost and flexible control could be an alternative to the PMSMs. The conventional WRSM used the brushes and slip rings to supply the rotor field winding which caused maintenance problems. To overcome the maintenance problems in WRSM, some researchers proposed brushless WRSM (BL-WRSM). The BL-WRSM has a severe disadvantage of no starting torque. To improve the starting torque the PM can be utilized in the rotor and make a hybrid BL-WRSM. Using PM in this machine increases the cost of the machine and decreases the competitiveness of this machine compared to PMSMs. Using conventional WRSM for starting the process and switching to the BL-WRSM for synchronization, is another method to improve the starting torque. However, in this method, brushes and slip rings are used in the starting process which causes the maintenance issue. This thesis presents a dual-mode brushless wound rotor synchronous machine (DBL-WRSM) to have a starting torque without using PM, brushes and slip rings. The proposed DBL-WRSM is able to generate high starting torque without using the PM, brushes and slip rings by taking advantage of the wound rotor induction machine (WRIM). Two kinds of processes are operated in the proposed machine: starting process and the synchronization process. To have an effective starting and successful synchronization, five switches in the rotor are used to change the rotor windings. In the starting process, the proposed machine works as a WRIM. After the starting process, the proposed machine operates as a BL-WRSM and locks into the synchronization by changing the rotor switches' status. To verify the principle of the proposed DBL-WRSM a 2D finite element analysis is performed. The starting process, transient process, synchronization process, dynamic response, and synchronization capability of the proposed machine are analyzed. |영구 자석 동기기(PMSM)는 고효율, 높은 토크 밀도 및 견고한 구조로 인해 산업 장비에서 광범위하게 적용되었다. 하지만 PMSM 은 영구자석(PM)과 인버터를 사용하기 때문에 기계의 비용과 복잡성이 증가한다. PM 을 사용하지 않고 동기식 기계를 사용하기 위해 저렴한 비용과 유연한 제어의 장점을 갖는 권선형 회전자 동기기(WRSM)가 PMSM 의 대안이 될 수 있다. 기존의 WRSM 은 브러시와 슬립 링을 사용하여 로터 계자 권선에 전원을 공급하기 때문에 유지보수에 문제가 있다. 기존 WRSM의 유지보수 문제를 극복하기 위해 일부 연구자들은 브러시리스 WRSM(BL-WRSM)을 제안했다. BL-WRSM 은 시동 토크가 없다는 심각한 단점이 있다. 시동 토크를 향상시키기 위해 PM 을 회전자에 활용하여 하이브리드 BL WRSM 을 제안했다. 하지만 PM 을 사용하면 기계의 비용이 증가하여 PMSM 에 비해 이 기계의 경쟁력이 떨어진다. 구동을 시작하기 위해 기존 WRSM 을 사용하고, BL-WRSM 으로 전환하여 동기화 하는 것은 시동 토크를 향상시키는 또 다른 방법이다. 그러나 이 방법에서는 시작 과정에서 브러시와 슬립 링이 사용되어 유지보수 문제가 발생한다. 본 논문은 PM, 브러시 및 슬립 링을 사용하지 않고 높은 기동 토크를 갖는 듀얼 모드 브러시리스 권선형 회전자 동기기(DBL-WRSM)를 제안한다. 제안된 DBL-WRSM 은 권선형 회전자 유도기(WRIM)를 활용하여 PM, 브러시 및 슬립 링을 사용하지 않고 높은 시동 토크를 생성할 수 있다. 제안하는 기계에서는 시작 과정과 동기화 과정의 두 가지 과정을 수행한다. 효과적인 시동 및 성공적인 동기화를 위해 회전자의 5 개 스위치를 사용하여 회전자 권선을 변경한다. 제안된 기계는 시작 과정에서 WRIM 으로 작동한다. 시작과정 후 스위치를 이용한 회전자 권선의 변경을 통해 BL-WRSM 으로 작동하여 동기화 한다. 제안된 DBL-WRSM 의 원리를 검증하기 위해 2 차원 유한요소해석을 수행하였다. 제안된 기계의 시작 과정, 과도 과정, 동기화 과정, 동적 응답, 동기화 능력을 분석한다.