Switched-reluctance motor with improved traction characteristics

Вентильно-індукторний двигун завдяки своїм перевагам може використовуватися у транспортних засобах низької та середньої потужності. Проте, через значні пульсацій обертового моменту, складність електричного драйвера й недостатню питому потужність він не є розповсюдженим. У даній статті розглядається структура і характеристики вентильно-індукторного двигуна з С-подібними полюсами і електричний драйвер для його контролю для мінімізації недоліків двигуна. В результаті аналізу, запропоновано критерій ефективності, який базується на порівнянні прискорюючої і гальмівної сили, що створюється полюсом статора. Для забезпечення ефективної роботи двигуна гальмівна сила повинна бути мінімальною, а її вплив компенсовано певною формою струму, за рахунок чого сумарна сила і момент залишаються постійними в кожен момент часу. За рахунок вибору оптимального відношення між полюсами статора й ротора забезпечується мінімальне значення гальмівної сили, а вибір оптимальної кількості полюсів дозволяє досягти максимальної сили. За рахунок високочастотного методу формування струму обмотки статора із запропонованою формою, вплив гальмівної сили і, відповідно, пульсації обертового моменту мінімізовано. При цьому, для підвищення ефективності роботи двигуна запропоновано двохсекційну структуру полюсів із використанням додаткових обмоток для модуляції амплітуди струму, що додатково дозволяє розподілити потужність між секціями. Формування струму керування обмотками здійснюється розповсюдженим резонансним перетворювачем з м’яким перемиканням ключів. Модульна структура електричного драйвера дозволяє використовувати лише чотири резонансні перетворювачі для всього драйвера при одночасній роботі одного полюса статора. У результаті було виявлено, що оптимальною структурою двигуна є n+1/n, так як розміщення полюсів у корпусі ротора дає можливість досягти максимальної сили. Розрахунок вентильно-індукторного двигуна для даної структури й n=7 показав зменшення об’єму двигуна в 2,75 разів і підвищення потужності в 6 разів у порівнянні з популярним тяговим асинхронним двигуном. Моделювання електричного драйвера в середовищі Matlab Simulink показало, що пульсації обертового моменту при даному методі формування струму обмотки статора складають близько 3,25% і можуть варіюватись в залежності від кількості періодів модулюючого сигналу.Due to its advantages, the switched-reluctance motor can be used in low and medium power vehicles. However, due to the significant torque ripples, the complexity of the electric driver and the insufficient power density, it is not common. This article discusses the structure and characteristics of a switched-reluctance motor with C-shaped poles and an electric driver to control it to minimize the shortcomings of the motor. As a result of the analysis, the criterion of efficiency which is based on comparison of the accelerating and braking force created by a stator pole is offered. To ensure efficient operation of the motor, the braking force must be minimal, and its influence is compensated by a certain form of current, due to which the total force and torque remain constant at all times. Due to the choice of the optimal ratio between the poles of the stator and the rotor, the minimum value of the braking force is provided, and the choice of the optimal number of poles allows achieving the maximum force. Due to the high-frequency method of forming the stator winding current with the proposed shape, the effect of braking force and, accordingly, the torque ripple is minimized. In this case, to increase the efficiency of the motor, a two-section pole structure is proposed using additional windings to modulate the current amplitude, which additionally allows distributing power between sections. The winding control current is generated by a common resonant converter with soft key switching. The modular structure of the electric driver allows using only four resonant converters for all drivers at simultaneous work of one pole of the stator. As a result, it was found that the optimal structure of the motor is n +1/n, as the arrangement of the poles in the rotor housing makes it possible to achieve maximum power. The calculation of switched-reluctance motor for this structure and n=7 showed a reduction in engine volume of 2.75 times and an increase in power of 6 times compared to the popular traction asynchronous motor. Simulation of the electric driver in the Matlab Simulink environment showed that the torque ripple with this method of forming the stator winding current is about 3.25% and can vary depending on the number of periods of the modulating signal

Стратегія керування електроприводом вентильно-індукторного двигуна з покращеними характеристиками

Вентильно-індукторний двигун завдяки своїм перевагам може використовуватися в транспортних засобах низької й середньої потужності. Проте, на даний момент, через значні пульсації обертового моменту, недостатню питому потужність й складність драйвера він не є популярним. В статті розглянуто структуру вентильноіндукторного двигуна й запропоновано методику формування магнітного потоку для забезпечення постійного моменту. За рахунок високочастотного формування струму полюсів статора габарити двигуна мінімізовано. Для підвищення ефективності роботи двигуна запропоновано двохсекційну структуру полюсів із використанням додаткових обмоток. Для формування струму керування обмотками використано розповсюджений резонансний перетворювач з м’яким перемиканням силових ключів. Як результат, запропонований драйвер складається лише з чотирьох резонансних перетворювачів. Робота вентильно-індукторного двигуна симульована в MATLAB Simulink.The switched-reluctance motor due to its advantages can be used in vehicles of low and medium power, as a replacement for permanent magnet motors. However, at the moment, due to significant torque ripple, insufficient power density and driver complexity, it is not widespread. The article describes the structure of the switched-reluctance motor with a special C-shaped tooth structure of the poles of the stator and rotor located in a non-magnetic body, which has improved characteristics in comparison to the traditional structure, where the rotor and stator are completely made of soft magnetic materials. A special technique for the formation of the magnetic flux, by which a constant torque is achieved, is proposed for this switched-reluctance motor structure. The form of the stator winding current is given to ensure a given magnetic flux. Due to the high-frequency current generation, the dimensions of the motor are minimized. As a result, the basic requirements for the electric drive converter were formed. An analysis was made of popular solutions that can provide a given current shape with a steep edge and having high efficiency. As a result, the optimal structure and the algorithm for generating the current of the converter were determined. Since the engine operates at an increased frequency, a resonant converter was selected, which provides soft key switching, ensuring high efficiency. Also, to increase the torque and engine efficiency, a two-section pole structure with the same number of sections on the rotor and stator using additional windings is proposed. The proposed structure and algorithm of the motor operation implies the operation of only one pole of the stator at a time, and as a result, only one electric drive can be used for the entire motor, which will switch between the poles using two-way keys. As a result, the proposed driver consists of only four resonant converters. The results of the switched-reluctance motor electric drive control system were tested in the MATLAB Simulink environment and, as expected in theory, the total force has no ripples. As a result, the developed electric drive has a simple structure with a minimized number of converter modules and requires only four modules, regardless of the number of stator poles. Due to the high-frequency method of forming the stator magnetic flux, the dimensions of the motor are minimized. As a result of using a resonant bridge converter, the dynamic losses are minimal

Особливості проектування і керування вентильно-індукторним двигуном з мінімізацією пульсації моменту

Вентильно-індукторний двигун (ВІД) завдяки своїм перевагам може використовуватися в транспо-ртних засобах низької й середньої потужності. Проте, на даний момент, через значні пульсації обертового моменту, недостатню питому потужність й складність драйвера він не є популярним. В статті розглянуто структуру ВІД і запропоновано відношення між полюсами статора та ротора для забезпечення високої ефективності. Для мінімі-зації пульсацій обертового моменту запропоновано спеціальну високочастотну методику формування струму обмо-тки статора. Наведено загальний алгоритм проектування ВІД із запропонованою структурою.Permanent magnet motors are often used as electric drives in middle and low power vehicles due to their high density of power and torque. Neodymium magnets increase its cost, therefore, alternative motors made from cheaper mate-rials are actively sought. One of the most perspective candidates are switched reluctance motors (SRM) which may be designed with ferrite or steel materials. Despite their simple design, low production cost, excellent speed and torque charac-teristics, simple power distribution between motor sections, high operational reliability, they are not widely used because of insufficient torque and power density and complex electric drive. These problems may be reduced with choosing proper structure of SRM and its drive that provides a constant predefined torque. In the paper an efficient structure of the SRM is proposed and the relationship between the stator and rotor poles for high efficiency is suggested. For determining current shape in stator poles of SRM that provide constant torque electromagnetic processes in SRM are analyzed. As result of analysis a criterion of SRM efficiency base of relationship between acceleration and braking forces is proposed. High effi-ciency of SRM operation is possible when the brake force Fbr tends to zero i.e. near rotor pole in direction of movement. Such condition has to be achievable permanently during the rotor rotation. For SRM structure with n rotor poles andn+1 stator poles one stator. Such feature allows to achieve high efficiency if simultaneously operates only one predefined pole. Based on such considerations, the total magnetic flow may be split to accelerated flow, brake flow and leakage flow in pro-portion reversed to magnetic resistance of accelerate, brake and leakage contours. As close the rotor pole to the stator pole as less the relation of braking force to accelerating force. With increasing the rotor poles number, the minimum value of distance is decreased and subsequently the SRM efficiency too. So, SRM efficiency is increased with number of poles. The high-frequency principle of magnetic flux formation is used to minimize torque ripples. A general algorithm for the development of a SRM with the proposed structure are presented. The algorithm consists of following steps: determining the number of poles according to the requirements of SRM efficiency; calculation the stator pole dimensions according to the criterion of providing the necessary force (the rotor pole is the same); check the placement of the stator winding in the core window; correction of the number of poles, if necessary; determining the number of turns of the winding according to the desired current of the converter. The proposed algorithm allows to calculate SRM structure and poles parameters for predefined torque and motor dimensions

A neutral-point diode-clamped converter with inherent voltage-boosting for a four-phase SRM drive

This paper proposes a new asymmetric neutral-point diode-clamped (NPC) multilevel converter for a four-phase switched reluctance motor drive. The inbuilt NPC clamping capacitors are used for both voltage level clamping and also as dc rail voltage-boosting capacitors to increase the output power of the motor, particularly for high-speed electric vehicle applications. The new converter allows regenerative energy to be recovered back to the dc supply for rapid machine braking, thus increasing overall drive efficiency. Analysis of the different modes of converter operation, along with design equations for sizing the voltage-boosting capacitors, are detailed. The effect of capacitance on boost voltage and increased motor base speed is presented. Simulation and experimental results confirm the effectiveness of the proposed converter

Тягова система з вентильно-індукторним двигуном для транспортного засобу

Популяризація та розвиток електромобілів як альтернативи транспорту із двигуном внутрішнього згоряння призвели до зростання попиту на сучасні енергоефективні електричні двигуни, що у свою чергу обумовлює необхідність розробки нових систем, що зможуть забезпечити більш ефективне перетворення електричної енергії в механічну, матимуть покращені масогабаритні характеристики й будуть більш економічними. Задачею дослідження є розробка нової високоефективної тягової системи тролейбуса на базі вентильно-індукторного двигуна з покращеними характеристиками. В результаті дослідження й розрахунку різних структур і перетворювачів було визначено оптимальну структуру тягового двигуна, а також розроблено драйвер для керування двигуном, що працює на підвищеній частоті. З метою підтвердження аналітичних досліджень проведено симуляцію роботи обраної топології перетворювача в середовищі в Matlab Simulink.The popularization and development of electric vehicles as an alternative to transport with an internal combustion engine has led to an increase in demand for modern energy-efficient electric motors, which in turn necessitates the development of new systems that can more efficiently convert electricity into mechanical energy. The aim of the study is to develop a new highly efficient trolleybus traction system based on a valve-induction motor with improved characteristics. As a result of research and calculation of various structures and converters the optimum structure of the traction engine was defined, and also the driver for the control of the engine working at the increased frequency was developed. In order to confirm the analytical studies, a simulation of the selected topology of the converter in the environment in Matlab Simulink was performed

Multi-objective torque control of switched reluctance machine

PhD ThesisThe recent growing interest in Switched Reluctance Drives (SRD) is due to the electrification of many products in industries including electric/hybrid electric vehicles, more-electric aircrafts, white-goods, and healthcare, in which the Switched Reluctance Machine (SRM) has potential prospects in satisfying the respective requirements of these applications. Its main merits are robust structure, suitability for harsh environments, fault-tolerance, low cost, and ability to operate over a wide speed range. Nevertheless, the SRM has limitations such as large torque ripple, high acoustic noise, and low torque density. This research focuses on the torque control of the SRD with the objectives of achieving zero torque error, minimal torque ripple, high reliability and robustness, and lower size, weight, and cost of implementation. Direct Torque Control and Direct Instantaneous Torque Control are the most common methods used to obtain desired torque characteristics including optimal torque density and minimized torque ripple in SRD. However, these torque control methods, compared to conventional hysteresis current control, require the use of power devices with a higher rating of about 150% to achieve the desired superior performance. These requirements add extra cost, conduction loss, and stress on the drive’s semiconductors and machine winding. To overcome these drawbacks, a simple and intuitive torque control method based on a novel adaptive quasi sliding mode control is developed in this study. The proposed torque control approach is designed considering the findings of an investigation performed in this thesis of the existing widely used control techniques for SRD based on information flow complexity. A test rig comprising a magnet assisted SRM driven by an asymmetric converter is constructed to validate the proposed torque control method and to compare its performance with that of direct instantaneous torque control, and current hysteresis control methods. The simulation and experimental results show that the proposed torque control reduces the torque ripple over a wide speed range without demanding a high current and/or a high switching frequency. In addition, It has been shown that the proposed method is superior to current hysteresis control method in the sensorless operation of the machine. Furthermore, the sensorless performance of the proposed method is investigated with the lower component count R-Dump converter. The simulation results have also demonstrated the excellent controller response using the standard R-Dump converter and also with its novel version developed in this thesis that needs only one current sensor