Design optimization and performance analysis methodology for PMSMs to improve efficiency in hydraulic applications

Abstract

In the recent years, water pumping and other hydraulic applications are increasingly demanding motors capable to operate under different working conditions, including variable pressure and volumetric flow demands. Moreover, the technical evolution trend of pumping components is to minimize the size, offering compact and adaptable hydraulic units. Hence, the need to optimize the electric motor part to reduce the volume according this trend, maximizing the efficiency, decreasing material and fabrication costs, reducing noise and improving thermal dissipation have originated the research field of this project. So far different methodologies have been focused on designing electrical machines considering few aspects, such as the rated conditions with some size limitations. In addition, the optimization strategies have been based on single operation conditions, improving multiple aspects but not considering the overall performance of the machine and its influence with the working system. This research changes the design and optimization paradigm, focusing on defining beforehand the desired performance of the electrical machine in relation with the application system. The customization is not limited to an operating point but to the whole performance space, which in this case is the torque-speed area. Thus, the designer has plenty of freedom to study the system, and define the desired motor performance establishing the size, thermal and mechanical limitations from the beginning of the process. Moreover, when designing and optimizing electrical machines, the experimental validation is of major importance. From an industrial scope so far, the testing methodologies are focused on evaluating point by point the electrical machine performance, being a robust and trustable way to measure and validate the electrical machine characteristics. Nevertheless,this method requires a large time to prepare the experimental setup and to evaluate the whole motor performance. For this reason, there is a special interest on improving parameter estimation and performance evaluation techniques for electrical machines to reduce evaluation time, setup complexity and increase the number of physical magnitudes to measure in order to have deeper information. This research also develops methodologies to extend the electrical machine experimental validation providing information to evaluate the motor performance. This doctoral thesis has been developed with a collaboration agreement between UPC and the company MIDTAL TALENTOS S.L. The thesis is included within the Industrial Doctorates program 2018 DI 019 promoted by the Generalitat de Catalunya.

En los últimos años, el bombeo de agua, entre otras aplicaciones hidráulicas, exige cada vez más motores capaces de operar en diferentes condiciones de trabajo, incluyendo las demandas variables de presión y caudal volumétrico. Además, la evolución técnica de los componentes de bombeo está cada vez más minimizando el tamaño ofreciendo unidades hidráulicas compactas y adaptables. De ahí la necesidad de optimizar la parte del motor eléctrico para reducir el volumen de acuerdo con esta tendencia, maximizando la eficiencia, disminuyendo los costos de material y fabricación, reduciendo el ruido y mejorando la disipación térmica. Todos estos factores han creado el campo de investigación sobre el cual se desarrolla este proyecto. Hasta ahora las metodologías se han centrado en diseñar las máquinas eléctricas considerando unos pocos aspectos técnicos, como las condiciones nominales con algunas limitaciones de tamaño. Además, las estrategias de optimización se han basado en condiciones de operación única, mejorando múltiples aspectos sin considerar el rendimiento general de la máquina y su influencia en el sistema de trabajo. Esta investigación cambia el paradigma de diseño y optimización centrándose en definir de antemano el rendimiento deseado de la máquina eléctrica en relación con el sistema de aplicación. La personalización no se limita a un punto de funcionamiento sino a todo el espacio de operación, que en este caso se expresa en el espacio par-velocidad. Así, el diseñador tiene libertad para estudiar el sistema, definir el rendimiento deseado del motor estableciendo el tamaño, limitaciones térmicas y mecánicas desde el inicio del proceso. Además, a la hora de diseñar y optimizar máquinas eléctricas, la validación experimental es de gran importancia. En el ámbito industrial hasta ahora, las metodologías de ensayo han sido enfocadas a evaluar punto por punto la máquina eléctrica, siendo una forma robusta y confiable de medir y validar sus características. Sin embargo, este método requiere mucho tiempo para preparar la configuración experimental y evaluar el motor en toda su zona de operación. Por esta razón, existe un interés especial en mejorar la estimación de parámetros y las técnicas de evaluación de la operación de las máquinas eléctricas reduciendo tiempo, complejidad y aumentando el número de magnitudes físicas a medir teniendo más información sobre la máquina. Esta investigación también desarrolla metodologías para extender la validación experimental de la máquina eléctrica proporcionando información para evaluar el rendimiento del motor. Esta tesis doctoral ha sido desarrollada con un convenio de colaboración entre la Universidad Politécnica de Cataluña UPC y la empresa MIDTAL TALENTOS S.L. La tesis se engloba dentro del plan de Doctorados Industriales 2018 DI 019 impulsado por la Generalitat de Catalunya.