Synchronous Reluctance Motor Analytical Calculation and Design

Abstract

Energy requirement is one of the most important problems of today and future. This situation makes electrical energy and electrical machines the focus of research. The machines that we use in many areas of our lives (home, industry, transportation, etc.) are expected to be efficient as well as having high performance. For this purpose, studies are ongoing on motors that can be an alternative to asynchronous and permanent magnet motors that are frequently used in industry and other applications. It is seen that Synchronous Reluctance Motors (SRM) are among the good alternatives because they do not contain magnets in their structure and do not require windings, brushes and rings in the rotor. Research and development studies continue in these motors with high efficiency and high torque density. In this study, a 75kW synchronous reluctance motor was designed. The sizing of the stator core of the motor, determination of the slot dimensions, winding design, calculation of the rotor barrier dimensions, calculation of the parameters related to the motor design and whether the motor is within the appropriate limits electrically and magnetically are examined. The accuracy of the calculations was verified with RMxprt design. As a result of the analysis, a SRM design suitable for the desired parameters was realized.

Keywords

• Synchronous Reluctance Motor
• Motor Analytical Design
• RMxprt Analyses

Senkron Relüktans Motor Analitik Hesabı ve Tasarımı

Abstract

Enerji ihtiyacı günümüzün ve geleceğin önemli problemlerinden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu durum elektrik enerjisi ve elektrik makinelerini araştırmaların odağı haline getirmektedir. Hayatımızın birçok alanında (ev, sanayi, ulaşım, vb.) kullanmakta olduğumuz elektrik makinelerinin yüksek performansa sahip olmasının yanı sıra verimli olması da beklenmektedir. Bu amaçla endüstride ve diğer uygulamalarda sıklıkla kullanılan asenkron ve sabit mıknatıslı motorlar için alternatif olabilecek motorlar üzerinde çalışmalar sürmektedir. Gerek yapısında mıknatıs bulundurmaması gerekse rotorunda sargı, fırça, bilezik gerektirmemesi sebebiyle Senkron Relüktans Motorların (SRM) iyi alternatifler arasında olduğu görülmektedir. Yüksek verimlilik ve yüksek tork yoğunluğuna sahip bu motorlarda araştırma ve geliştirme çalışmalarına devam edilmektedir. Bu çalışmada da 75kW’lık bir SRM tasarımı yapılmıştır. Motorun stator nüvesinin boyutlandırılması, oluk ölçülerinin belirlenmesi, sargı tasarımı, rotor bariyer ölçülerin hesaplanması, motor tasarımı ile ilgili parametrelerin hesaplanması ve motorun elektrik ve manyetik açıdan uygun sınırlar içinde olup olmadığı incelenmiştir. Yapılan hesaplamaların doğruluğu RMxprt tasarımı ile doğrulanmıştır. Analizler sonucunda istenilen parametrelere uygun bir SRM tasarımı gerçekleştirilmiştir.

Keywords

• Senkron Relüktans Motor
• Motor Analitik Tasarımı
• RMxprt Analizi
• Synchronous Reluctance Motor
• Motor Analytical Design
• RMxprt Analyses

References

1. Aghazadeh, H., Afjei, E., & Siadatan, A. (2019). Sizing and detailed design procedure of external rotor synchronous reluctance machine. IET Electric Power Applications, 13(8), 1105-1113. https://doi.org/10.1049/iet-epa.2018.5802
2. Boldea, I. (2020). Induction Machines Handbook; Transients, Control Principles, Design and Testing (3. bs). CRC Press, Boca Raton, 99-150.
3. Credo, A., Fabri, G., Villani, M., & Popescu, M. (2019). High Speed Synchronous Reluctance Motors for Electric Vehicles: A Focus on Rotor Mechanical Design. 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 165-171. https://doi.org/10.1109/IEMDC.2019.8785083
4. Ersöz, M. (2015). Akı Bariyerli Senkron Relüktans Motor Tasarımı ve Uygulaması [Yüksek Lisans Tezi]. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 163.
5. Gerçekci̇oğlu, H. S., & Akar, M. (2021). Eksenel Akı Konseptindeki Senkron Relüktans ve İndüksiyon Motor’un Verim ve Performans Karşılaştırması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. https://doi.org/10.29109/gujsc.910521
6. Hendershot, J. R. (2012). Electric Machine Design Course, Poly-Phase Induction Machine Design Strategy. University of Minnesota.
7. Mahmoudi, A., Kahourzade, S., Roshandel, E., & Soong, W. L. (2020). Axial-Flux Synchronous Reluctance Motors: Introduction of a New Machine. 2020 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), 1-6. https://doi.org/10.1109/PEDES49360.2020.9379345
8. Moghaddam, R. R. (2007). Synchronous Reluctance Machine (SynRM) Design [Master Thesis]. KTH Vetenskap Och Konst, Royal Institute of Technology, Stockholm, 95.

9. Öner, Y., Ersöz, M., & Bingöl, O. (2016). Akı Bariyerli TLA Tipi Senkron Relüktans Motor Tasarımı ve Optimizasyonu. Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31(4). https://doi.org/10.17341/gazimmfd.278449
10. Özçeli̇k, N. G. (2016). IE4 Verim Sınıfı Senkron Relüktans Motor Tasarımı [Yüksek Lisans Tezi]. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 119.
11. Özsoy, M., Kaplan, O., & Akar, M. (2022). The effect of stator slot number and pole number on motor performance in double-sided axial flux induction motors for electric vehicles. Electrical Engineering, 104(6), 4289-4304. https://doi.org/10.1007/s00202-022-01623-3
12. Tap, A. (2017). Sürekli Mıknatıs Destekli Senkron Relüktans Motor Tasarımı [Yüksek Lisans Tezi]. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,115.
13. Velasco, J., Fabri, Giuseppe, Jezdinsky, Tomas, Albini, Luciano, Misa Milosavljevic, Carrero, Miguel, Thackwell, Cleef, Benedetto, Matteo, & González, Manuel. (2021). REFREEDRIVE_D1.3_V3 Report, Rare Earth Free e-Drives Featuring Low Cost Manufacturing. Refreedrive.
14. Villani, M. (2018). Synchronous Reluctance Motor for Traction Applications. University of L’aquila Department of Industrial and Information Engineering and Economics, WMC Coiltech 20118 - Pordenone.
15. Villani, M., Fabri, G., Leonardo, L. D., & Credo, A. (2019). Synchronous Reluctance Motor for Traction Applications. University of L’aquila Department of Industrial and Information Engineering and Economics, WMC Coiltech 2019 - Pordenone.
16. Zöhra, B., & Akar, M. (2016). Matlab grafik arayüzü kullanılarak 3 fazlı asenkron motorların analitik modellenmesi. 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), 3652-3659.