Analytical Calculation of Rotor Magnet Eddy-Current Losses for High Speed IPMSM

International audienceFor high-speed machines applications, eddy-current losses in the interior permanent magnet of synchronous machine (IPMSM) form a portion of the total losses which can be significant. Indeed, the magnets are exposed to the harmonic fields which rotate with respect to the rotor. The induced losses in the magnets provoke temperature arising that must be limited to avoid the risk of demagnetization. The study carries out a prediction of eddy current losses in PM where the skin effect is considered. A complete analytical model is presented and compared to 3D Finite Element (FE) harmonic computations. The results given by the proposed model are in agreement with the FEA results for local electromagnetic quantities and loss calculations. This approach can be useful for losses estimation in magnets when designing machines by analytical method

Pertes à haute fréquence dans les rotors des machines synchrones à aimants alimentées par onduleur de tension.

In this thesis we present a study of high frequency rotor power losses in permanent magnet synchronous machines. In case of time harmonic fields we have shown by an analysis and confirmed by 3D finite element calculation an anomaly of the segmentation rule of the magnet. Consequently, we have proposed algorithms of optimization of the magnet segmentation aiming the minimization of eddy current losses, with a simple criterion on influence of the skin effect in losses calculation in high frequency. In the second part of the theses we have analyzed the rotor power losses dues to the stator slot harmonics. In case of homogeneous field we have proposed an analytical formulation taking into account machine’s geometrical parameters. We have then tested this model with aid of the finite element calculation. The analytical model gives acceptable results in absence of the skin effect in long magnets, but its application in laminated steels hasn’t proved successful.Dans cette thèse nous présentons une étude des pertes de puissance en haute fréquence dans les rotors des machines synchrones à aimants permanent. Dans le cas des champs harmoniques temporels au rotor, nous avons montré par calcul éléments finis en 3D que la règle de segmentation des aimants présente une anomalie. Par conséquent, nous avons développé une étude sur l’efficacité de la segmentation à deux dimensions des aimants permanents, avec l’optimisation de la de segmentation des aimants afin de minimiser les pertes par courants de Foucault. Un simple critère est proposé mettant en évidence l’influence de l’effet de peau dans le calcul des pertes à haute fréquence. En deuxième lieu nous avons étudié les pertes rotoriques dues à la modification du champ fondamental par la denture statorique, Dans ce but nous avons proposé un modèle analytique représentant cette modification par un champ homogène dans une maquette 2D/3D. Ce modèle met en évidence l’influence des paramètres géométriques de la machine sur les pertes de puissance dans le rotor. Il était validé par calcul en éléments finis dans une couche mince. Le modèle analytique a donné les résultats acceptables en absence de l’effet de peau dans le cas des aimants longs. Par contre il reste à améliorer pour le calcul de pertes par denture dans les tôles du rotor

HIgh frequency rotor power losses in permanent magnet synchronous machines fed by voltage inverter

Dans cette thèse nous présentons une étude des pertes de puissance en haute fréquence dans les rotors des machines synchrones à aimants permanent. Dans le cas des champs harmoniques temporels au rotor, nous avons montré par calcul éléments finis en 3D que la règle de segmentation des aimants présente une anomalie. Par conséquent, nous avons développé une étude sur l’efficacité de la segmentation à deux dimensions des aimants permanents, avec l’optimisation de la de segmentation des aimants afin de minimiser les pertes par courants de Foucault. Un simple critère est proposé mettant en évidence l’influence de l’effet de peau dans le calcul des pertes à haute fréquence. En deuxième lieu nous avons étudié les pertes rotoriques dues à la modification du champ fondamental par la denture statorique, Dans ce but nous avons proposé un modèle analytique représentant cette modification par un champ homogène dans une maquette 2D/3D. Ce modèle met en évidence l’influence des paramètres géométriques de la machine sur les pertes de puissance dans le rotor. Il était validé par calcul en éléments finis dans une couche mince. Le modèle analytique a donné les résultats acceptables en absence de l’effet de peau dans le cas des aimants longs. Par contre il reste à améliorer pour le calcul de pertes par denture dans les tôles du rotor.In this thesis we present a study of high frequency rotor power losses in permanent magnet synchronous machines. In case of time harmonic fields we have shown by an analysis and confirmed by 3D finite element calculation an anomaly of the segmentation rule of the magnet. Consequently, we have proposed algorithms of optimization of the magnet segmentation aiming the minimization of eddy current losses, with a simple criterion on influence of the skin effect in losses calculation in high frequency. In the second part of the theses we have analyzed the rotor power losses dues to the stator slot harmonics. In case of homogeneous field we have proposed an analytical formulation taking into account machine’s geometrical parameters. We have then tested this model with aid of the finite element calculation. The analytical model gives acceptable results in absence of the skin effect in long magnets, but its application in laminated steels hasn’t proved successful

Optimization of Magnet Segmentation for Reduction of Eddy-Current Losses in Permanent Magnet Synchronous Machine

International audienceRare earth permanentmagnet synchronousmachines with the pulsewidth modulated supply are exposed to magnets'heating due to harmonic fields, which rotate in relation to rotor. In caseswhen skin effect is negligible, the corresponding eddy-current losses in magnets can be reduced by segmentation of magnets. In this paper, we propose an analytical method to evaluate the effect of both circumferential and axial segmentations on losses' reduction in various conditions, concerning the skin effect. With the skin effect operating, the magnets' division may lead to increase rather than decrease of the eddy-current losses. A criterion to determine range of parameters leading to this unexpected situation is presented. Finite-element calculation confirms the results of the analysis

Analytical Estimation of Rotor Loss Due to Stator Slotting of Synchronous PM Machines

International audienceIn this paper, we analyze the rotor eddy currents losses provoqued by the stator slot harmonics developed in the permanent magnets or pole pieces of synchronous machines. An analytical approach is presented to evaluate the effect of slot ripples on rotor field and losses calculation. This analysis is then tested by 2D/3D finite element (FE) calculation on a mock model. The results show a good agreement on loss calculations when skin effect is negligible and the magnet is considered