Definition of a rotor geometry optimization procedure for a synchronous reluctance machine

This thesis aims to realize the analytical design of a synchronous reluctance motor and define a Matlab procedure to optimize its rotor geometry. In particular, flux barriers whose shape follows the natural propagation that the stator flux lines would have in a solid rotor are considered. The width of each barrier is varied in order to determine the best geometry. Concretely, a 5.5 kW four-pole machine is considered, as being a widespread power in general industrial applications. The project is realized in Flux2D software through the parameterization technique, reaching a compromise between precision and computation time. A crucial role is played by the communication between Matlab and Flux2D, allowing to perform changes in the rotor geometry and subsequent finite element simulations. These are an essential tool for the analysis of the different configurations and for an accurate evaluation of SynRM performance. By defining another Matlab code, the number of possible configurations can be reduced only to those respecting the desired values of mean torque, torque ripple and efficiency. The thesis first introduces the features of the machine and the concept of reluctance on which its operation is based. Subsequently, it exposes the different rotor geometries classification and the description of programs and software used. At this point, the analytical design of the stator is performed through a specific procedure; the parameters are then inserted in Flux2D project and kept constant. For what concerns the rotor, the thesis introduces to the concept of parameterization and explains the definition of the Matlab code for the automatic simulation of the different configurations. Once the best geometry is chosen, a sensitivity analysis is performed. It is shown how changing some parameters (current angle and radial ribs thickness) and the use of different double-layer short-pitched windings (slot pitch equal to 8, 7 and 6, respectively) affect the selected configuration. The thesis concludes with a discussion of the results and design improvements for future work.

Definizione di una procedura di ottimizzazione della geometria rotorica di una macchina sincrona a riluttanza. La presente tesi ha lo scopo di realizzare il design analitico di un motore sincrono a riluttanza e definire una procedura Matlab per ottimizzarne la geometria rotorica. In particolare, vengono considerate barriere di flusso la cui forma segue la propagazione naturale che le linee del flusso statorico avrebbero in un rotore pieno. Lampiezza di ciascuna barriera è variata allo scopo di determinare la geometria migliore. Concretamente, si prende in esame una macchina a quattro poli di 5.5 kW, potenza diffusa nelle applicazioni industriali. Il progetto è realizzato con il software Flux2D attraverso la tecnica di parametrizzazione, raggiungendo un compromesso tra precisione e tempo di calcolo. La comunicazione tra Matlab e Flux2D svolge un ruolo cruciale, consentendo di eseguire cambiamenti nella geometria rotorica e conseguenti simulazioni agli elementi finiti. Si tratta di uno strumento essenziale per lanalisi delle diverse configurazioni e per una valutazione accurata delle prestazioni della SynRM. Attraverso la definizione di un altro codice Matlab, il numero delle possibili configurazioni può essere ridotto alle sole che rispettano i valori desiderati di coppia media, ripple di coppia ed efficienza. La tesi introduce dapprima le caratteristiche della macchina e il concetto di riluttanza su cui si basa il suo funzionamento. Successivamente, espone la classificazione delle diverse geometrie rotoriche e la descrizione di programmi e software utilizzati. A questo punto, viene eseguita la progettazione analitica dello statore attraverso una procedura specifica; i parametri vengono poi inseriti nel progetto Flux2D e mantenuti costanti. Per quanto riguarda il rotore, la tesi introduce al concetto di parametrizzazione e giunge alla definizione di un codice Matlab per la simulazione automatica delle diverse configurazioni. Una volta selezionata la geometria migliore, si effettua unanalisi di sensibilità. Viene mostrato come la modifica di alcuni parametri (current angle e spessore delle rib) e limpiego di un avvolgimento a doppio strato con diversi tipi di passo raccorciato (passo rispettivamente pari a 8, 7 e 6 cave) influenzino la configurazione selezionata. La tesi si conclude con la discussione dei risultati e dei miglioramenti alla progettazione per lavori futuri.