Development and sensorless control of PM outer rotor traction machines

Abstract

Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung von Permanentmagnet erregten Synchronmaschinen (PSM). Die sieben präsentierten Außenläufermaschinen sind Prototypen für elektrische Traktionsanwendungen, hauptsächlich für den Einsatz in elektrischen Straßenbahnen.<br />Die Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen. Zuerst werden die Entwicklung und das Design der Maschinen beschrieben. Die analytische und numerische Berechnung baut auf den Daten laut Spezifikation auf. Die Messergebnisse einer ausgewählten Maschine zeigen die erreichten Eigenschaften.<br />Zwei Studien vergleichen die erstellten Prototypen mit alternativen Maschinen. Einerseits wird die PSM einem numerischen Modell einer Asynchronmaschine gegenübergestellt, anderseits wird der Austausch der teuren NdFeB Magnete mit billigeren Ferriten untersucht.<br />Der zweite Hauptteil dieser Arbeit behandelt die Regelung der Maschinen ohne Positionssensor. Sechs unterschiedliche Modelle für drei unterschiedliche Drehzahlbereiche werden vorgestellt. Die Modifizierte Indirekte Flusserfassung durch Online-Reaktanzmessung (INFORM) und die Geberlose Start-Sektor Detektion ermitteln die Rotorposition bei Stillstand. Beide Methoden eliminieren eine mögliche 180° Unsicherheit der folgenden Kleinsignalmodelle. Bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand kommt das klassische INFORM-Verfahren bei Sinusspeisung oder das Blockkommutierte INFORM-Verfahren bei rechteckigen Phasenströmen zum Einsatz. Für höhere Drehzahlen über etwa 10 - 15 % der Bezugsdrehzahl präsentiert diese Dissertation ein sensorloses Modell basierend auf der Erfassung der Elektromotorischen Kraft (klassisches EMK-Modell) sowie das Kurzschluss-EMK-Modell. Zum Abschluss wird ein linearer mit einem nicht-linearen Zustandsbeobachter für die sensorlose Regelung verglichen.<br />

This doctoral thesis describes the development of permanent magnet synchronous machines (PMSMs). The seven presented outer-rotor machines are prototypes for traction applications, mainly for an electric tram.<br />This work consists of two main parts. In the first part, the design and development of the machines is described. The machine specification provides a basis for the following analytical and numerical calculations. Measurement results prove the high performance of one selected machine. Finally, the PMSMs are compared to two alternative machine types. First, a developed PMSM is contrasted against a model of an induction machine. Second, a study evaluates the replacement of the NdFeB magnets with a much cheaper ferrite material.<br />The second main part of this work deals with the position-sensorless control of the machines. Six different sensorless techniques for three different speed ranges are presented. The modified start-up Indirect Flux Detection by Online Reactance Measurement (INFORM) and the encoderless start-up sector detection identify the initial electrical rotor position at standstill. Both methods eliminate a possible 180° uncertainty of the following small-signal techniques. At low speed and also at a standstill, the classical INFORM technique for sinus-current operation or the brushless direct-current INFORM method for rectangular current feeding calculate the actual angular position of the rotor. For higher speeds, above about 10-15% of the rated speed, this doctoral thesis presents the classical back electromotive force (EMF) method and the short-circuit back-EMF model. Finally, a comparison contrasts the behavior of a linear and a non-linear state-observer for sensorless controls.