Optimal pole number and winding designs for low speed-high torque synchronous reluctance machines

This paper studies the feasibility of using synchronous reluctance machines (SynRM) for low speed–high torque applications. The challenge lies in obtaining low torque ripple values, high power factor, and, especially, high torque density values, comparable to those of permanent magnet synchronous machines (PMSMs), but without resorting to use permanent magnets. A design and calculation procedure based on multistatic finite element analysis is developed and experimentally validated via a 200 Nm, 160 rpm prototype SynRM. After that, machine designs with different rotor pole and stator slot number combinations are studied, together with different winding types: integral-slot distributed-windings (ISDW), fractional-slot distributed-windings (FSDW) and fractional-slot concentrated-windings (FSCW). Some design criteria for low-speed SynRM are drawn from the results of the study. Finally, a performance comparison between a PMSM and a SynRM is performed for the same application and the conclusions of the study are summarized

Node mapping criterion for highly saturated interior PMSMs using magnetic reluctance network

Interior Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM) are high torque density machines that usually work under heavy load conditions, becoming magnetically saturated. To obtain properly their performance, this paper presents a node mapping criterion that ensure accurate results when calculating the performance of a highly saturated IPMSM via a novel magnetic reluctance network approach. For this purpose, a Magnetic Circuit Model (MCM) with variable discretization levels for the different geometrical domains is developed. The proposed MCM caters to V-shaped IPMSMs with variable magnet depth and angle between magnets. Its structure allows static and dynamic time stepping simulations to be performed by taking into account complex phenomena such as magnetic saturation, cross-coupling saturation effect and stator slotting effect. The results of the proposed model are compared to those obtained by Finite Element Method (FEM) for a number of IPMSMs obtaining excellent results. Finally, its accuracy is validated comparing the calculated performance with experimental results on a real prototype

Design and Analysis of Fractional-Slot Concentrated-Winding Multiphase Fault-Tolerant Permanent Magnet Synchronous Machines.

In the last decades, the use of permanent magnet machine drives has experienced a sustained growth owing to their high efficiency and power density figures and due to their inherent suitability for direct-driven applications. However, and despite being highly reliable, the fact that the excitation field in a permanent magnet machine cannot be turned off at will has made engineers reluctant to employ these drives in safety critical applications in the past. Various techniques have been proposed in the related literature to grant fault-tolerance to a permanent magnet machine drive. This thesis starts by reviewing previous work on the matter and by analyzing the different fault-tolerant approaches. After the various methods are briefly discussed, a comparison among the distinct techniques is established, from which the approach of splitting the drive in multiple independent phases emerges as one the most promising design procedures. This requires that the drive is designed to provide the maximum possible magnetic, electrical, thermal and physical isolation between phases. In order to limit the high magnitude currents arising from a short-circuit fault, a further requirement is that the permanent magnet machine is designed to have a high enough phase self-inductance. The previous requisites are naturally met in permanent magnet machines making use of fractional-slot concentrated-windings. Additionally, multiphase systems have shown to provide a number of advantages over the traditional three-phase systems; specially regarding fault-tolerance and the attainable level of performance after a fault. Owing to the aforementioned reasons, this thesis focuses on the design and analysis of fractional-slot concentrated-winding multiphase fault-tolerant permanent magnet synchronous machines. Following the review on fault-tolerant permanent magnet drive systems, the design principles that allow to select the most appropriate winding arrangements for fractional-slot concentrated-winding multiphase machines are reviewed. From the research conducted, it is found out that the traditionally proposed rules to select the most adequate configurations are restricted to odd phase number machines or to specific winding configurations. In order to fill this gap, an analytical procedure to evaluate the merits of different winding configurations in terms of magnetic isolation and regardless of the geometry of the machine is established. A design methodology incorporating the previous winding selection criteria is proposed. Based on this methodology, a five-phase fault-tolerant machine prototype is designed and manufactured. The design process for the prototype, including the analysis of the required specifications and design constraints, is thoroughly discussed. Next, an analytical drive model suitable for fault analysis is developed. The model serves as a tool to predict the behavior of the designed machine under different fault conditions and to test post-fault remedial strategies. Specifically, the post-fault operation under winding open-circuit faults, terminal short-circuit faults and transistor open and short-circuit faults is investigated. For the previous fault scenarios, modified control strategies that allow to improve the post-fault performance of AC machine drives are proposed. In particular, a unified approach to compute suitable current references for winding open-circuit and terminal short-circuit faults is derived. The method, aimed at minimizing the stator copper losses while preserving the main harmonic of the air-gap magnetomotive force, is general and valid for any phase number drive and different supply conditions. Experimental tests demonstrate the intrinsic fault-tolerant capability of the prototype machine and the adequacy of the proposed modified control strategies in reducing the parasitic effects arising from the different fault conditions. Furthermore, by adopting the proposed remedial actions, it is possible to operate the machine drive under fault scenarios for which the system previously became unstable.En las últimas décadas, las máquinas de imanes permanentes vienen experimentado un uso creciente debido a las numerosas ventajas que ofrecen respecto a otros tipos de máquinas eléctricas. Sin embargo, la imposibilidad de anular el campo de excitación en estas máquinas ha limitado su uso en aplicaciones de seguridad crítica. Esta tesis comienza analizando las diferentes técnicas propuestas en la bibliografía para dotar de tolerancia a fallos a los accionamientos basados en máquinas de imanes. Tras revisar los diferentes enfoques, se establece una comparativa entre los mismos en términos de coste, complejidad y desempeño tras el fallo. De entre las estrategias consideradas, el método de dividir el accionamiento en múltiples fases independientes surge como uno de los enfoques más prometedores. Ello requiere que el accionamiento sea diseñado para lograr la máxima separación magnética, eléctrica, térmica y física entre las distintas fases. Un requerimiento adicional para lograr la tolerancia a fallos es que la auto-inductancia por fase sea elevada para limitar las corrientes de fallo en caso de cortocircuito. Estos requerimientos se cumplen de forma natural al emplear devanados concentrados fraccionarios. Adicionalmente, los sistemas multifásicos han demostrado dar lugar a una serie de ventajas respecto de los sistemas trifásicos tradicionales; especialmente en lo que se refiere a la tolerancia a fallos y a las prestaciones que se pueden obtener tras un fallo eléctrico. Por todo lo anterior, esta tesis se centra en el diseño y análisis de máquinas síncronas de imanes permanentes tolerantes a fallos multifásicas con devanados concentrados fraccionarios. Tras el estudio inicial, se revisan los principios que permiten escoger las topologías de devanado más adecuadas para el diseño de maquinas tolerantes a fallos con devanados concentrados fraccionarios. Los métodos tradicionalmente propuestos están restringidos a máquinas con un número impar de fases o a configuraciones específicas de devanado. Con el fin de cubrir esta carencia, se desarrolla un método analítico que permite evaluar los méritos de las diferentes configuraciones de devanado posibles independientemente de la geometría de la máquina y escoger así la topología más adecuada para aplicaciones tolerantes a fallos. A continuación, se desarrolla una metodología de diseño de máquinas de imanes tolerantes a fallos. Basándose en la misma, se diseña y fabrica un prototipo de máquina síncrona pentafásica. El proceso completo de diseño, incluyendo el análisis de las especificaciones y las restricciones impuestas, es descrito con amplio detalle. Una serie de ensayos experimentales confirman la tolerancia a fallos intrínseca del prototipo desarrollado y la idoneidad de la metodología de diseño desarrollada. Adicionalmente, se desarrolla un modelo analítico que permite analizar el comportamiento del accionamiento diseñado ante diferentes fallos y evaluar diferentes estrategias correctivas tras los mismos. Específicamente, se investigan los modos de fallo consistentes en fallos de circuito abierto en devanados, fallos de cortocircuito entre terminales y fallos en los dispositivos semiconductores del inversor. Para los citados modos de fallo, se proponen estrategias de control modificadas que permiten mitigar las consecuencias negativas de los mismos. Particularmente, se deriva una metodología general para calcular las corrientes de referencia más adecuadas para fallos de cortocircuito y/o circuito abierto. El método, orientado a minimizar las pérdidas en el cobre mientras se mantiene el harmónico principal de la fuerza magnetomotriz en el entrehierro, es general y valido para cualquier número de fases y diferentes topologías de convertidor. Una serie de ensayos experimentales demuestran la idoneidad de las estrategias de control post-fallo propuestas, que permiten reducir las consecuencias negativas de los fallos y operar el accionamiento en condiciones para las cuales el sistema previamente se volvía inestable

Diseño de una nueva estrategia de control vectorial para motores lineales de inducción.

El motor lineal de inducción (LIM) suma a las ya conocidas características de su equivalente rotativo - robustez, facilidad de construcción y bajo costo - todas las ventajas del trabajo como accionamiento directo. Tradicionalmente, las aplicaciones de estos motores han estado más enfocadas al transporte de viajeros y de mercancías. Sin embargo, en los últimos años, a la luz del abaratamiento de la electrónica de potencia y de los microprocesadores, se está abriendo para ellas el campo de las aplicaciones que requieren grandes prestaciones de aceleración, velocidad y precisión. Concretamente, los motores lineales de inducción resultan muy interesantes para aplicaciones industriales donde sea necesario un movimiento lineal alternativo de carrera larga y alta velocidad, donde son muy competitivos debido a su bajo costo. Sin embargo, no existe unanimidad entre investigadores y fabricantes a la hora de decidir cómo se deben controlar este tipo de motores. Los efectos electromagnéticos de borde, provocados principalmente por la asimetría constructiva del motor, no permiten un control eficiente mediante las estrategias convencionales para máquina de inducción rotativa. Por otro lado, los intentos de introducir modelos u observadores de estos fenómenos en los métodos de control, para poder minimizar sus efectos, resultan en estrategias demasiado complejas y normalmente poco robustas, lo cual anula las principales ventajas de este tipo de motores. La presente tesis tiene como objetivo la obtención de un método de control de la velocidad y la posición de los motores lineales de inducción que mejore el estado del arte de las estrategias de control para este tipo de motores. En definitiva, un método de control que proporcione al motor una buena respuesta dinámica, que sea poco sensible a los efectos electromagnéticos propios de estos motores y que sea sencillo de implementar. Para conseguir este objetivo, en primer lugar, se ha realizado un estudio de la influencia de los fenómenos electromagnéticos propios de los motores lineales de inducción en las estrategias de control más representativas. Con este fin, se ha evaluado la variación de los parámetros de un prototipo de motor lineal de inducción con la velocidad y temperatura y, posteriormente, se ha estudiado la sensibilidad de las estrategias de control ante esta variación. Esta información, junto con las especificaciones de partida, ha permitido definir unos criterios de diseño de un nuevo algoritmo de control del flujo electromagnético. Se ha diseñado este algoritmo tanto para operación norma l, como para el caso de saturación de la fuente de alimentación. A continuación, se han diseñado los lazos de control de velocidad y de posición, atendiendo a la respuesta dinámica del conjunto algoritmo de control del flujo – motor. Además, se ha obtenido un criterio de ajuste de los compensadores de los lazos que permite fijar de manera sencilla la dinámica deseada para el sistema. Por último, se han realizado ensayos experimentales sobre un prototipo de motor lineal de inducción. Los ensayos presentados muestran el buen comportamiento de la estrategia de control propuesta ante consignas de velocidad y posición, su robustez ante la variación de los parámetros del motor, y sus ventajas frente a los tipos de control actualmente más utilizados

Cálculo y diseño de motores eléctricos de tracción ferroviaria. Comparativa de máquinas de inducción y de imanes permanentes.

El empleo de motores eléctricos de tracción en diferentes aplicaciones industriales se está expandiendo debido a la gran versatilidad y robustez que presentan, y a los continuos progresos que se vienen realizando en el campo de la electrónica de potencia, y de la investigación en nuevos materiales. En el sector ferroviario, cada vez más se tiende a reducir el volumen requerido por los motores, y a que estos posean un alto grado de eficiencia energética. Además, se debe cumplir con las especificaciones de funcionamiento impuestas por el gerente de la infraestructura, así como las exigencias eléctricas y mecánicas impuestas por el constructor del vehículo ferroviario. Todo ello, conlleva a que los motores de tracción empleados estén operando bajo unas condiciones electromagnéticas y térmicas muy exigentes. Gracias a los avances que se han dado lugar en la última década en materia de computación, es posible generar e implementar diferentes modelos matemáticos que calculen correctamente las prestaciones de las máquinas, dando cuenta de los diferentes fenómenos electromagnéticos que se dan lugar debido a las exigencias de la aplicación. Las familias de motores de tracción ferroviaria que se estudian en esta tesis doctoral son los motores asíncronos, y síncronos con topología de rotor tanto de imanes superficiales como interiores. En esta tesis se define una metodología de dimensionamiento y cálculo para cada una de las familias de motores mencionadas. Dadas las condiciones de carga tan exigentes a las que operan este tipo de motores, se presentan diferentes modelos analíticos complejos que garanticen obtener correctamente las prestaciones de los motores. Además, se profundiza en el cálculo de pérdidas para lograr obtener correctamente la eficiencia del motor. Las diferentes metodologías presentadas, se han implementado en una herramienta analítica que permite diseñar motores de tracción que se adecúen de manera óptima a las exigencias. Empleando dicha herramienta, se describe el proceso de diseño de motores de las diferentes familias en base a unas especificaciones y restricciones para aplicación de tranvía, con dos objetivos: por un lado diseñar motores respetando el volumen establecido en las restricciones con el objetivo de maximizar el rendimiento; por otro lado, minimizar en lo posible el volumen de motor, manteniendo unos valores mínimos de rendimiento. Seguidamente se presentan diseños que cumplan con especificaciones para aplicación de metro, analizando la posibilidad de emplear diferente número de motores en función de la familia considerada. Finalmente se realiza una comparativa de los diseños realizados para las diferentes aplicaciones ferroviarias, presentando las ventajas existentes al emplear las diferentes familias de motores estudiadas en esta tesis.The great versatility and toughness of traction electric motors has lead to its use for industrial applications. Moreover, they have also been employed in the current advances achieved in power electronics, and in the research field of new materials. In the railway sector, the tendency moves towards the reduction of the required motor volume. Besides, a high-energy-efficiency is also desired. In addition, the specific instructions provided by the manager of the infrastructure required for the correct function of the motor, together with the mechanical and electrical restrictions imposed by the railway vehicle manufacturer, must be fulfilled. Overall, all these restrictions imply that traction motors have to operate under heavy electromagnetic and thermal conditions. Fortunately, the computational progress achieved over the last decade, made possible the generation and implementation of different mathematical models toaccurately calculate the machine performance taking into account the different electromagnetic phenomena that occurs at such demanding conditions. Throughout the course of this doctoral thesis, asynchronous and synchronous machines within the family of the railway traction machines with surface and interior mounted permanent magnets rotor topology have been deeply studied. Moreover, a sizing and calculating methodology is generated for each of the above mentioned machine families. Complex algebraic approaches are subsequently proposed, guaranteeing the correct performance of the motor in spite of the demanding operation points of the application. Furthermore, and focusing on motor efficiency, loss calculations have been deeply studied. Hence, an analytical tool gathering the different methodologies proposed in this doctoral thesis has been developed. Interestingly, this tool allows the design of traction motors that adequately adjust to the requirements of the application. Specifically, motor design of the different families based on a set of tram operating specifications and restrictions is further described following this analytical tool. The two main goals of the study are as follows; (i) the design of motors with a given volume and optimized efficiency and (ii) to obtain the minimum motor volume assuring a minimum level of efficiency. Next, several designs accomplishing metro application specifications are presented. Within these designs, the use of different amount of motors based on the powertrain configuration employed is also considered. Finally, a comparative analysis of the motor designs presented for each railway application is carried out. The advantages and disadvantages that might be encountered during the use of each of the different motor families described in this doctoral thesis are listed to complement the study

Additive Manufacturing & Topology Optimisation of electrical machines.

In recent years, additive manufacturing has been gaining ground among traditional manufacturing methods in many different applications. This is mainly due to its ease of prototyping, material savings and above all the highly complex geometries that can be achieved. Despite its many advantages, the use of additive manufacturing in electrical machines has been limited. The lack of maturity of the manufacturing processes and the increase in losses when applying additive approaches to some parts, mainly stators, have led little implementation in the field of electrical machines. The geometric freedom offered by additive manufacturing paves the way for the use of novel optimisation techniques, such as topology optimisation. Traditionally, topology optimisation has not been widely used because the complex geometries obtained by these algorithms are not easily produced by traditional manufacturing methods. However, thanks to additive manufacturing, topology optimisation has started to be used, mainly for mechanical applications and it has demonstrated its ability to reduce weight without compromising mechanical stability in several cases. Nevertheless, topology optimisation for physics other than mechanical has not been thoroughly studied, let alone for the simultaneous optimisation of different physics. In view of the scenario described, this thesis investigates the benefits that additive manufacturing and topology optimisation can bring to the design of electrical machines. For the additive manufacturing of electrical machines, a thorough literature review is carried out on the application of this manufacturing approach to different parts of electrical machines, active and non-active. Two main case studies are presented: in the first, the rotor, the shaft, the stator and the housing of an aerospace actuator are manufactured by L-PBF in FeCoV and the assembled actuator is tested. In the second case, a rotor is manufactured in FeSi by LP- DED. Finally, not considered an additive manufacturing case study itself in this thesis, but two electrical conductor prototypes are manufactured in CuCr1Zr and an additional geometry is manufactured in AlSi10Mg by L-PBF. With regard to topology optimisation of electrical machines, a description of the main topology optimisation methods used is given and their application to electrical machine components is presented. In a similar way to additive manufacturing, two case studies are analysed. First, a novel multiphysics - mechanical and electromagnetic - topology optimisation method is presented, in which the rotor and the stator of a permanent magnet motor are optimised simultaneously. This method is compared with two methods found in the literature, SIMP and on-off. Secondly, another topology optimisation method is described and applied to an electrical conductor model. The proposed algorithm involves a multiphysics - thermal and electromagnetic - hybrid parametric topology optimisation approach. Two reduced length geometries and one full length prototype are built via additive manufacturing. Finally, conclusions regarding additive manufacturing and topology optimisation of electrical machines are drawn from the work presented in this thesis. Future lines of work for additive manufacturing and topology optimisation of electrical machines are also presented.En los últimos años, la fabricación aditiva ha ido ganando terreno a los métodos de fabricación tradicionales en muchas aplicaciones diferentes. Esto se debe principalmente a su facilidad para crear prototipos, al ahorro de material y, sobre todo, a las geometrías altamente complejas que se pueden conseguir. A pesar de sus muchas ventajas, el uso de la fabricación aditiva en máquinas eléctricas ha sido limitado. La falta de madurez de los procesos de fabricación y el aumento de las pérdidas al aplicar enfoques aditivos a algunas piezas, principalmente estatores, han provocado una escasa implantación en el campo de las máquinas eléctricas. La libertad geométrica que ofrece la fabricación aditiva allana el camino para el uso de técnicas de optimización novedosas, como la optimización topológica. Tradicionalmente, la optimización de la topología no se ha utilizado mucho porque las geometrías complejas que obtienen estos algoritmos no son fáciles de producir con los métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, gracias a la fabricación aditiva, la optimización topológica ha empezado a utilizarse, principalmente para aplicaciones mecánicas, y ha demostrado su capacidad para reducir el peso sin comprometer la estabilidad mecánica en varios casos. Sin embargo, la optimización topológica para físicas distintas de la mecánica no se ha estudiado en profundidad, y mucho menos para la optimización simultánea de distintas físicas. Ante el escenario descrito, esta tesis investiga los beneficios que la fabricación aditiva y la optimización topológica pueden aportar al diseño de máquinas eléctricas. Para la fabricación aditiva de máquinas eléctricas, se realiza una revisión bibliográfica exhaustiva sobre la aplicación de este enfoque de fabricación a diferentes partes de máquinas eléctricas, activas y no activas. Se presentan dos casos prácticos principales: en el primero, el rotor, el eje, el estator y la carcasa de un actuador aeroespacial se fabrican mediante L-PBF en FeCoV y se prueba el actuador ensamblado. En el segundo caso, se fabrica un rotor en FeSi mediante LP-DED. Por último, no se considera un caso de estudio de fabricación aditiva propiamente dicho en esta tesis, pero se fabrican dos prototipos de conductores eléctricos en CuCr1Zr y una geometría adicional en AlSi10Mg mediante L-PBF. En cuanto a la optimización topológica de máquinas eléctricas, se describen los principales métodos de optimización topológica utilizados y se presenta su aplicación a componentes de máquinas eléctricas. De forma similar a la fabricación aditiva, se analizan dos casos prácticos. En primer lugar, se presenta un novedoso método de optimización topológica multifísica - mecánica y electromagnética- en el que se optimizan simultáneamente el rotor y el estator de un motor de imanes permanentes. Este método se compara con dos métodos encontrados en la literatura, SIMP y on-off. En segundo lugar, se describe otro método de optimización topológica y se aplica a un modelo de conductor eléctrico. El algoritmo propuesto implica un enfoque de optimización de topología paramétrica híbrida multifísica -térmica y electromagnética-. Se construyen dos geometrías de longitud reducida y un prototipo de longitud completa mediante fabricación aditiva. Finalmente, del trabajo presentado en esta tesis se extraen conclusiones sobre la fabricación aditiva y la optimización topológica de máquinas eléctricas. También se presentan futuras líneas de trabajo para la fabricación aditiva y la optimización topológica de máquinas eléctricas

Cálculo y diseño de motores eléctricos de tracción ferroviaria. Comparativa de máquinas de inducción y de imanes permanentes.

El empleo de motores eléctricos de tracción en diferentes aplicaciones industriales se está expandiendo debido a la gran versatilidad y robustez que presentan, y a los continuos progresos que se vienen realizando en el campo de la electrónica de potencia, y de la investigación en nuevos materiales. En el sector ferroviario, cada vez más se tiende a reducir el volumen requerido por los motores, y a que estos posean un alto grado de eficiencia energética. Además, se debe cumplir con las especificaciones de funcionamiento impuestas por el gerente de la infraestructura, así como las exigencias eléctricas y mecánicas impuestas por el constructor del vehículo ferroviario. Todo ello, conlleva a que los motores de tracción empleados estén operando bajo unas condiciones electromagnéticas y térmicas muy exigentes. Gracias a los avances que se han dado lugar en la última década en materia de computación, es posible generar e implementar diferentes modelos matemáticos que calculen correctamente las prestaciones de las máquinas, dando cuenta de los diferentes fenómenos electromagnéticos que se dan lugar debido a las exigencias de la aplicación. Las familias de motores de tracción ferroviaria que se estudian en esta tesis doctoral son los motores asíncronos, y síncronos con topología de rotor tanto de imanes superficiales como interiores. En esta tesis se define una metodología de dimensionamiento y cálculo para cada una de las familias de motores mencionadas. Dadas las condiciones de carga tan exigentes a las que operan este tipo de motores, se presentan diferentes modelos analíticos complejos que garanticen obtener correctamente las prestaciones de los motores. Además, se profundiza en el cálculo de pérdidas para lograr obtener correctamente la eficiencia del motor. Las diferentes metodologías presentadas, se han implementado en una herramienta analítica que permite diseñar motores de tracción que se adecúen de manera óptima a las exigencias. Empleando dicha herramienta, se describe el proceso de diseño de motores de las diferentes familias en base a unas especificaciones y restricciones para aplicación de tranvía, con dos objetivos: por un lado diseñar motores respetando el volumen establecido en las restricciones con el objetivo de maximizar el rendimiento; por otro lado, minimizar en lo posible el volumen de motor, manteniendo unos valores mínimos de rendimiento. Seguidamente se presentan diseños que cumplan con especificaciones para aplicación de metro, analizando la posibilidad de emplear diferente número de motores en función de la familia considerada. Finalmente se realiza una comparativa de los diseños realizados para las diferentes aplicaciones ferroviarias, presentando las ventajas existentes al emplear las diferentes familias de motores estudiadas en esta tesis.The great versatility and toughness of traction electric motors has lead to its use for industrial applications. Moreover, they have also been employed in the current advances achieved in power electronics, and in the research field of new materials. In the railway sector, the tendency moves towards the reduction of the required motor volume. Besides, a high-energy-efficiency is also desired. In addition, the specific instructions provided by the manager of the infrastructure required for the correct function of the motor, together with the mechanical and electrical restrictions imposed by the railway vehicle manufacturer, must be fulfilled. Overall, all these restrictions imply that traction motors have to operate under heavy electromagnetic and thermal conditions. Fortunately, the computational progress achieved over the last decade, made possible the generation and implementation of different mathematical models toaccurately calculate the machine performance taking into account the different electromagnetic phenomena that occurs at such demanding conditions. Throughout the course of this doctoral thesis, asynchronous and synchronous machines within the family of the railway traction machines with surface and interior mounted permanent magnets rotor topology have been deeply studied. Moreover, a sizing and calculating methodology is generated for each of the above mentioned machine families. Complex algebraic approaches are subsequently proposed, guaranteeing the correct performance of the motor in spite of the demanding operation points of the application. Furthermore, and focusing on motor efficiency, loss calculations have been deeply studied. Hence, an analytical tool gathering the different methodologies proposed in this doctoral thesis has been developed. Interestingly, this tool allows the design of traction motors that adequately adjust to the requirements of the application. Specifically, motor design of the different families based on a set of tram operating specifications and restrictions is further described following this analytical tool. The two main goals of the study are as follows; (i) the design of motors with a given volume and optimized efficiency and (ii) to obtain the minimum motor volume assuring a minimum level of efficiency. Next, several designs accomplishing metro application specifications are presented. Within these designs, the use of different amount of motors based on the powertrain configuration employed is also considered. Finally, a comparative analysis of the motor designs presented for each railway application is carried out. The advantages and disadvantages that might be encountered during the use of each of the different motor families described in this doctoral thesis are listed to complement the study

Diseño de Motores Lineales Síncronos Miniaturizados para el Accionamiento de Puertas Automáticas.

En la actualidad, con el aumento de las exigencias de eficiencia y de excelencia en los productos y procesos, la utilización de la tecnología de los motores lineales está en auge, sustituyendo accionamientos basados en motores rotativos con mecanismos más o menos complejos que transforman el giro del motor en movimiento lineal. Con esto se obtiene una mejora en las prestaciones y sobre todo en la fiabilidad, al haber menos partes intermedias susceptibles de tener una avería. De entre los diferentes tipos de motores lineales que existen, los de imanes permanentes son los más demandados, gracias a las altas prestaciones que ofrecen. Debido a las características especiales de los motores lineales, sus aplicaciones son muy específicas. Para que un motor lineal funcione de manera óptima en una aplicación, ha de ser diseñado específicamente para la misma. La utilización de motores lineales comerciales, que tienen precios bastante competitivos, no resultará la solución más adecuada, debido a que estos no cumplirán perfectamente con las especificaciones requeridas, pues normalmente estarán sobredimensionados. Una aplicación donde su uso es muy adecuado es en el accionamiento de puertas automáticas. Actualmente éstas se accionan mediante mecanismos basados en motores rotativos, siendo éstos los principales causantes de averías. Por este motivo, en esta tesis doctoral se ha buscado realizar una sustitución del motor rotativo y sus mecanismos asociados por un motor lineal y tracción directa, con el fin de evitar las piezas intermedias. Con este objetivo, se ha desarrollado una metodología de diseño de motores lineales síncronos miniaturizados para su integración en puertas automáticas. Para ésto ha sido necesario el establecimiento de unos pasos de diseño que permitan dimensionar y calcular motores de una manera rápida y eficaz, teniendo en cuenta los exigentes requisitos de la aplicación, como son las reducidas dimensiones o la temperatura máxima de funcionamiento. La metodología de diseño de motores lineales síncronos está dividida en dos partes fundamentales: el estudio electromagnético y el estudio térmico. A partir del resultado de estos estudios, se establece la metodología de dimensionamiento y cálculo que, a partir de unos parámetros básicos, nos permite obtener la geometría y todos los parámetros de funcionamiento del motor. El desarrollo del estudio magnético mediante circuitos de reluctancias equivalentes se realiza para motores de tres tipos de secundarios, como son el de imanes superficiales, de imanes embebido y de imanes en Halbach, así como con dos tipos de devanados, como son el devanado distribuido de paso entero y el devanado concentrado de doble capa. La razón de desarrollar estos tres tipos de secundarios es porque son los que ofrecen una densidad de fuerza mayor, clave para conseguir una miniaturización significativa. En cuanto al estudio térmico de los motores se realiza mediante un sistema de resistencias térmicas equivalentes(Lumped-Parameter Thermal Model). Este método de resolución basado está en la representación térmica de elementos básicos del motor, que son los dientes y las bobinas. Gracias a la sencillez de parametrización, es posible analizar térmicamente cualquier motor lineal, independientemente del número de dientes, polos o topología. Utilizando los circuitos magnéticos y térmicos, se presenta un método de dimensionamiento y cálculo de motores lineales que permite su diseño a partir de unos parámetros básicos, tales como la fuerza nominal, la velocidad y las restricciones geométricas asociadas a la puerta. Este método permite, en unos pocos minutos, la obtención de geometrías completas que cumplan con las especificaciones requeridas. Finalmente, se aplica la metodología desarrollada en el proceso de diseño y optimización de un prototipo de motor lineal síncrono miniaturizado para su aplicación en unas puertas automáticas. Se explican la influencia de las diferentes variables y su elección. La validez del método presentado queda demostrada con los resultados del prototipo diseñado, que tras haber sido validado con elementos finitos y ensayado en una puerta automática, ofrece los resultados previstos

Diseño de una nueva estrategia de control vectorial para motores lineales de inducción.

El motor lineal de inducción (LIM) suma a las ya conocidas características de su equivalente rotativo - robustez, facilidad de construcción y bajo costo - todas las ventajas del trabajo como accionamiento directo. Tradicionalmente, las aplicaciones de estos motores han estado más enfocadas al transporte de viajeros y de mercancías. Sin embargo, en los últimos años, a la luz del abaratamiento de la electrónica de potencia y de los microprocesadores, se está abriendo para ellas el campo de las aplicaciones que requieren grandes prestaciones de aceleración, velocidad y precisión. Concretamente, los motores lineales de inducción resultan muy interesantes para aplicaciones industriales donde sea necesario un movimiento lineal alternativo de carrera larga y alta velocidad, donde son muy competitivos debido a su bajo costo. Sin embargo, no existe unanimidad entre investigadores y fabricantes a la hora de decidir cómo se deben controlar este tipo de motores. Los efectos electromagnéticos de borde, provocados principalmente por la asimetría constructiva del motor, no permiten un control eficiente mediante las estrategias convencionales para máquina de inducción rotativa. Por otro lado, los intentos de introducir modelos u observadores de estos fenómenos en los métodos de control, para poder minimizar sus efectos, resultan en estrategias demasiado complejas y normalmente poco robustas, lo cual anula las principales ventajas de este tipo de motores. La presente tesis tiene como objetivo la obtención de un método de control de la velocidad y la posición de los motores lineales de inducción que mejore el estado del arte de las estrategias de control para este tipo de motores. En definitiva, un método de control que proporcione al motor una buena respuesta dinámica, que sea poco sensible a los efectos electromagnéticos propios de estos motores y que sea sencillo de implementar. Para conseguir este objetivo, en primer lugar, se ha realizado un estudio de la influencia de los fenómenos electromagnéticos propios de los motores lineales de inducción en las estrategias de control más representativas. Con este fin, se ha evaluado la variación de los parámetros de un prototipo de motor lineal de inducción con la velocidad y temperatura y, posteriormente, se ha estudiado la sensibilidad de las estrategias de control ante esta variación. Esta información, junto con las especificaciones de partida, ha permitido definir unos criterios de diseño de un nuevo algoritmo de control del flujo electromagnético. Se ha diseñado este algoritmo tanto para operación norma l, como para el caso de saturación de la fuente de alimentación. A continuación, se han diseñado los lazos de control de velocidad y de posición, atendiendo a la respuesta dinámica del conjunto algoritmo de control del flujo – motor. Además, se ha obtenido un criterio de ajuste de los compensadores de los lazos que permite fijar de manera sencilla la dinámica deseada para el sistema. Por último, se han realizado ensayos experimentales sobre un prototipo de motor lineal de inducción. Los ensayos presentados muestran el buen comportamiento de la estrategia de control propuesta ante consignas de velocidad y posición, su robustez ante la variación de los parámetros del motor, y sus ventajas frente a los tipos de control actualmente más utilizados

Design and Analysis of Fractional-Slot Concentrated-Winding Multiphase Fault-Tolerant Permanent Magnet Synchronous Machines.

In the last decades, the use of permanent magnet machine drives has experienced a sustained growth owing to their high efficiency and power density figures and due to their inherent suitability for direct-driven applications. However, and despite being highly reliable, the fact that the excitation field in a permanent magnet machine cannot be turned off at will has made engineers reluctant to employ these drives in safety critical applications in the past. Various techniques have been proposed in the related literature to grant fault-tolerance to a permanent magnet machine drive. This thesis starts by reviewing previous work on the matter and by analyzing the different fault-tolerant approaches. After the various methods are briefly discussed, a comparison among the distinct techniques is established, from which the approach of splitting the drive in multiple independent phases emerges as one the most promising design procedures. This requires that the drive is designed to provide the maximum possible magnetic, electrical, thermal and physical isolation between phases. In order to limit the high magnitude currents arising from a short-circuit fault, a further requirement is that the permanent magnet machine is designed to have a high enough phase self-inductance. The previous requisites are naturally met in permanent magnet machines making use of fractional-slot concentrated-windings. Additionally, multiphase systems have shown to provide a number of advantages over the traditional three-phase systems; specially regarding fault-tolerance and the attainable level of performance after a fault. Owing to the aforementioned reasons, this thesis focuses on the design and analysis of fractional-slot concentrated-winding multiphase fault-tolerant permanent magnet synchronous machines. Following the review on fault-tolerant permanent magnet drive systems, the design principles that allow to select the most appropriate winding arrangements for fractional-slot concentrated-winding multiphase machines are reviewed. From the research conducted, it is found out that the traditionally proposed rules to select the most adequate configurations are restricted to odd phase number machines or to specific winding configurations. In order to fill this gap, an analytical procedure to evaluate the merits of different winding configurations in terms of magnetic isolation and regardless of the geometry of the machine is established. A design methodology incorporating the previous winding selection criteria is proposed. Based on this methodology, a five-phase fault-tolerant machine prototype is designed and manufactured. The design process for the prototype, including the analysis of the required specifications and design constraints, is thoroughly discussed. Next, an analytical drive model suitable for fault analysis is developed. The model serves as a tool to predict the behavior of the designed machine under different fault conditions and to test post-fault remedial strategies. Specifically, the post-fault operation under winding open-circuit faults, terminal short-circuit faults and transistor open and short-circuit faults is investigated. For the previous fault scenarios, modified control strategies that allow to improve the post-fault performance of AC machine drives are proposed. In particular, a unified approach to compute suitable current references for winding open-circuit and terminal short-circuit faults is derived. The method, aimed at minimizing the stator copper losses while preserving the main harmonic of the air-gap magnetomotive force, is general and valid for any phase number drive and different supply conditions. Experimental tests demonstrate the intrinsic fault-tolerant capability of the prototype machine and the adequacy of the proposed modified control strategies in reducing the parasitic effects arising from the different fault conditions. Furthermore, by adopting the proposed remedial actions, it is possible to operate the machine drive under fault scenarios for which the system previously became unstable.En las últimas décadas, las máquinas de imanes permanentes vienen experimentado un uso creciente debido a las numerosas ventajas que ofrecen respecto a otros tipos de máquinas eléctricas. Sin embargo, la imposibilidad de anular el campo de excitación en estas máquinas ha limitado su uso en aplicaciones de seguridad crítica. Esta tesis comienza analizando las diferentes técnicas propuestas en la bibliografía para dotar de tolerancia a fallos a los accionamientos basados en máquinas de imanes. Tras revisar los diferentes enfoques, se establece una comparativa entre los mismos en términos de coste, complejidad y desempeño tras el fallo. De entre las estrategias consideradas, el método de dividir el accionamiento en múltiples fases independientes surge como uno de los enfoques más prometedores. Ello requiere que el accionamiento sea diseñado para lograr la máxima separación magnética, eléctrica, térmica y física entre las distintas fases. Un requerimiento adicional para lograr la tolerancia a fallos es que la auto-inductancia por fase sea elevada para limitar las corrientes de fallo en caso de cortocircuito. Estos requerimientos se cumplen de forma natural al emplear devanados concentrados fraccionarios. Adicionalmente, los sistemas multifásicos han demostrado dar lugar a una serie de ventajas respecto de los sistemas trifásicos tradicionales; especialmente en lo que se refiere a la tolerancia a fallos y a las prestaciones que se pueden obtener tras un fallo eléctrico. Por todo lo anterior, esta tesis se centra en el diseño y análisis de máquinas síncronas de imanes permanentes tolerantes a fallos multifásicas con devanados concentrados fraccionarios. Tras el estudio inicial, se revisan los principios que permiten escoger las topologías de devanado más adecuadas para el diseño de maquinas tolerantes a fallos con devanados concentrados fraccionarios. Los métodos tradicionalmente propuestos están restringidos a máquinas con un número impar de fases o a configuraciones específicas de devanado. Con el fin de cubrir esta carencia, se desarrolla un método analítico que permite evaluar los méritos de las diferentes configuraciones de devanado posibles independientemente de la geometría de la máquina y escoger así la topología más adecuada para aplicaciones tolerantes a fallos. A continuación, se desarrolla una metodología de diseño de máquinas de imanes tolerantes a fallos. Basándose en la misma, se diseña y fabrica un prototipo de máquina síncrona pentafásica. El proceso completo de diseño, incluyendo el análisis de las especificaciones y las restricciones impuestas, es descrito con amplio detalle. Una serie de ensayos experimentales confirman la tolerancia a fallos intrínseca del prototipo desarrollado y la idoneidad de la metodología de diseño desarrollada. Adicionalmente, se desarrolla un modelo analítico que permite analizar el comportamiento del accionamiento diseñado ante diferentes fallos y evaluar diferentes estrategias correctivas tras los mismos. Específicamente, se investigan los modos de fallo consistentes en fallos de circuito abierto en devanados, fallos de cortocircuito entre terminales y fallos en los dispositivos semiconductores del inversor. Para los citados modos de fallo, se proponen estrategias de control modificadas que permiten mitigar las consecuencias negativas de los mismos. Particularmente, se deriva una metodología general para calcular las corrientes de referencia más adecuadas para fallos de cortocircuito y/o circuito abierto. El método, orientado a minimizar las pérdidas en el cobre mientras se mantiene el harmónico principal de la fuerza magnetomotriz en el entrehierro, es general y valido para cualquier número de fases y diferentes topologías de convertidor. Una serie de ensayos experimentales demuestran la idoneidad de las estrategias de control post-fallo propuestas, que permiten reducir las consecuencias negativas de los fallos y operar el accionamiento en condiciones para las cuales el sistema previamente se volvía inestable