Modelo da máquina YASA pentafásica incluindo harmônicas espaciais e temporais

Abstract

Esta Tese introduz uma modelagem matemática inédita para máquinas YASA (Yo keless and Segmented Armature) multifásicas que permite reduzir significativamente o tempo necessário para determinação de campos magnéticos, parâmetros eletromagnéti cos e desempenho em regime transitório e permanente, passando de horas ou dias com o método de elementos finitos (MEF) para segundos com os modelos propostos. As análi ses teóricas, computacionais e experimentais são desenvolvidas através de um estudo de caso com um protótipo de máquina YASA multifásica. Inicialmente, uma modelagem abrangente do torque da máquina YASA é desenvolvida através de métodos baseados em potência eletromagnética, tensão de cisalhamento, coenergia e força de Lorentz. Em seguida, três modelos dinâmicos são considerados para determinar o desempenho da má quina YASA pentafásica sob diferentes condições de operação. O primeiro modelo dinâ mico corresponde a um circuito equivalente expresso em termos de indutâncias próprias e mútuas, resistência do enrolamento e tensões induzidas pelos ímãs. Esta abordagem é fa cilmente ajustável para avaliar a operação normal ou sob falha de circuito aberto nas fase. Os outros dois modelos dinâmicos, chamados de modelos dq, são desenvolvidos a partir de transformações de coordenadas oriundas da literatura. Um modelo dq é indicado para máquinas síncronas de ímãs permanentes (MSIP) pentafásicas sob operação normal e o outro, para MSIP pentafásicas com uma fase aberta. Para possibilitar a determinação dos parâmetros eletromagnéticos dos modelos dinâmicos, a distribuição de campos magnéti cos no interior da máquina YASA pentafásica é avaliada analiticamente. Com base neste equacionamento de campos magnéticos, expressões analíticas são estabelecidas para de terminar indutâncias e fluxos concatenados com as fases a vazio, considerando o efeito das harmônicas espaciais de campo no entreferro e de fluxos dispersos. Adicionalmente, uma rede de relutâncias é proposta para determinação de indutâncias próprias e mútuas. Por último, os parâmetros analíticos são aplicados nos modelos dinâmicos para avaliar o desempenho da máquina YASA pentafásica sob diferentes condições de operação. Resul tados oriundos de experimentos e análises via MEF são apresentados ao longo do trabalho para validação dos resultados analíticos obtidos para o protótipo, os quais demonstram a consistência dos modelos desenvolvidos nesta Tese para máquinas YASA multifásicas.

This Thesis introduces a novel mathematical model for multiphase yokeless and seg mented armature (YASA) machines that allows significantly reducing the time required to determine magnetic fields, electromagnetic parameters, and performance in transient and steady state, going from hours or days with finite element analyses (FEA) to seconds with the proposed models. The theoretical, computational, and experimental analyses are developed through a case study with a prototype multiphase machine. First, a comprehen sive model of the YASA machine torque is developed through methods based on electro magnetic power, shear stress, coenergy, and Lorentz force. Next, three dynamic models have been developed to determine the performance of the five-phase YASA machine un der different operating conditions. The first dynamic model is based on an equivalent circuit expressed in terms of self and mutual inductances, winding resistance, and volt ages induced by magnets. This approach is easily adjustable to evaluate normal operation or under open circuit fault of the phase windings. The other two dynamic models, called dq models, are developed using coordinate transformations found in the literature. One dq model is indicated for five-phase permanent magnet synchronous machines (PMSMs) under normal operation, and the other model is indicated for five-phase PMSMs with one open phase. To determine the electromagnetic parameters of the dynamic models, the distribution of magnetic fields inside the five-phase YASA machine was evaluated ana lytically. Based on this magnetic field model, analytical expressions are established to determine inductances and no-load linkage fluxes, considering the effect of spatial har monics of airgap magnetic field and leakage fluxes. Additionally, a reluctance network is proposed to assess self and mutual inductances. Finally, the analytical parameters are used in the dynamic models to evaluate the performance of the five-phase YASA machine under different operating conditions. Results from experiments and FEA are presented throughout the work to validate the analytical results obtained for the prototype, which demonstrate the consistency of the models developed in the Thesis for multiphase YASA machines.