Numerical Simulation of the Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor

Abstract

This thesis reports on a detailed numerical simulation of a line-start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM) using two-dimensional finite element analysis (FEA) in ANSYS Maxwell 2D. The main goal is to show that adding Y33 hard-ferrite permanent magnets to the rotor of a standard 3 kW, 4-pole, 400 V, 50 Hz asynchronous induction motor allows it to run synchronously at 1500 RPM. This design meets the IEC IE4 Super Premium efficiency class, which is a standard set by the International Electrotechnical Commission that indicates very high energy efficiency for electric motors. This study simulated and compared two motor models: The baseline 000 ASM (Asynchronous Induction Motor) was compared with the new 001 SM (Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor), which uses Bestway Magnet Y33 ferrite permanent magnets in an interior permanent magnet (IPM) setup measuring 40 mm by 10 mm. The 001 SM reached synchronisation at a steady speed of 1499.3 RPM with a slip of 0.076%. It delivered a peak starting torque of 167.26 N·m, which is 34.6% higher than the baseline. It's steady-state efficiency was 94.26%, compared to 88.66% for the baseline ASM, a 5.60 percentage point improvement, meeting the IE4 Super Premium efficiency class. A key comparison was made between Y33 Ferrite and Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) permanent magnets in the same LSPMSM design. The NdFeB simulation failed to synchronise. due to magnetic locking caused by a large negative braking torque of −406.2 N·m, which is 4.37 times higher than with ferrite. These results show that using Y33 ferrite magnets is essential for this line-start application. The finite element mesh had 2088 triangular elements for the 001 SM and 2530 elements for the 000 ASM. Both models used one-quarter symmetry and a time step of 0.0001 seconds over a 1.0-second transient.

Tato diplomová práce se zabývá podrobnou numerickou simulací synchronního motoru s permanentními magnety a přímým spouštěním ze sítě (LSPMSM) pomocí dvourozměrné metody konečných prvků (FEA) v programu ANSYS Maxwell 2D. Hlavním cílem je ukázat, že přidání permanentních magnetů Y33 z tvrdého feritu do rotoru standardního asynchronního indukčního motoru o výkonu 3 kW, se 4 póly, napájením 400 V a frekvencí 50 Hz umožňuje synchronní provoz při 1500 ot./min. Tento návrh splňuje třídu účinnosti IEC IE4 Super Premium, což je standard stanovený Mezinárodní elektrotechnickou komisí označující velmi vysokou energetickou účinnost elektrických motorů. V rámci studie byly simulovány a porovnány dva modely motorů. Referenční model 000 ASM (asynchronní indukční motor) byl porovnán s novým modelem 001 SM (synchronní motor s permanentními magnety a přímým spouštěním), který využívá permanentní magnety Y33 ferit od společnosti Bestway Magnet v konfiguraci interiérového permanentního magnetu (IPM) o rozměrech 40 mm × 10 mm. Motor 001 SM dosáhl synchronizace při ustálené rychlosti 1499,3 ot./min se skluzem 0,076 %. Poskytl špičkový záběrový moment 167,26 N·m, což je o 34,6 % více než u referenčního modelu. Jeho ustálená účinnost dosáhla 94,26 % oproti 88,66 % u referenčního motoru ASM, což představuje zlepšení o 5,60 procentního bodu a splnění třídy IE4 Super Premium. Bylo provedeno klíčové srovnání mezi magnety Y33 ferit a neodym-železo-bor (NdFeB) ve stejném návrhu LSPMSM. Simulace s magnety NdFeB nedosáhla synchronizace z důvodu magnetického zamknutí způsobeného velkým záporným brzdným momentem −406,2 N·m, který je 4,37krát vyšší než u feritu. Tyto výsledky ukazují, že použití feritových magnetů Y33 je pro tuto aplikaci přímého spouštění nezbytné. Síť konečných prvků obsahovala 2088 trojúhelníkových prvků pro model 001 SM a 2530 prvků pro model 000 ASM. Oba modely využívaly čtvrtinovou symetrii a časový krok 0,0001 sekundy po dobu 1,0 sekundy přechodového děje.