Permanent magnet synchronous machines with tooth coils for sensorless control including overload range

Abstract

Die Arbeit beinhaltet die sensorlose beziehungsweise lagegeberlose Regelung, im Besonderen im Überlastbereich, von Permanentmagnet - Synchronmaschinen in Außenläuferbauweise mit der Verwendung von Zahnspulenwicklungen. Eine sensorlose Regelung für nicht-achsige beziehungsweise gering-achsige Permanent-Synchronmaschinen wird vorgestellt und beschrieben. Für eine sensorlose Positionsermittlung mittels Testpulse im Zeitbereich wird eine neuartige Raumzeigermodulation mit minimierter Geräuschentwicklung vorgestellt.<br />Mit Hilfe einer Vielzahl unterschiedlicher Wicklungskonfigurationen mit Bruchlochzahlen kleiner und größer 1/3 und der Verwendung von Einschicht- und/oder Zweischichtwicklungen wurden konstruktive Gesätzmäßigkeiten für eine sensorlose Fähigkeit und Kurzschlussfähigkeit evaluiert. Weiters wird für die sensorlose Regelung im hohen Drehzahlbereich ein erweitertes Spannungsmodell mit Berücksichtigung der Achsigkeit der Maschine vorgestellt. Alle untersuchten Wechselstrom Maschinen sind vom Autor ausgelegt, konstruiert und vermessen worden.<br />

This doctorate thesis deals with external rotor permanent magnet excited synchronous machines (PMSM) exclusively with concentrated windings, and consequently referred as permanent magnet excited modular synchronous machines (PMMSM), for sensorless respectively encoder-less control including overload range. As a matter of interest a sensorless control for non-saliency or low-saliency PMMSM at overload ranges is presented and analyzed. For sensorless control with test patterns in the time domain a novel space vector modulation method for "silent" operation under certain circumstances is presented. Also a large number of winding configurations with different fractional slot factors q > 1/3 and q < 1/3, including single- and/or two-layer windings, are analyzed and evaluated for sensorless control and short-circuit capability resulting in construction- and design rules for PMMSM. Furthermore a novel extended electromotive force based rotor position estimation method for low and highspeed is demonstrated and discussed. All researched AC machines are mainly designed, constructed and measured by the author.