Doctoral Thesis

High-Speed Machine with a Special Rotor Design

Final Thesis 10.98 MB Summary of Thesis 6.71 MB

Author of thesis: Ing. Petr Klíma, Ph.D.

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Miroslav Chomát, CSc., doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D.

Abstract:

High-speed machines are widely popular in research due to their high power density, offering excellent technical solutions for many applications. However, synchronous reluctance machines have been absent from this group due to their low mechanical robustness and manufacturing limitations. To address these limitations and broaden the range of high-speed machine solutions, an advanced multi-material additive manufacturing technology of metals was selected. Leveraging the new production possibilities enabled by this technology, the existing topology of the axially laminated anisotropic synchronous reluctance rotor was modified and improved. This resulted in a new rotor design featuring magnetic barriers shaped according to natural flux lines made from non-magnetic 316L stainless steel combined with magnetically conductive 17-4PH stainless steel. Calculations predicted that this rotor design would provide excellent mechanical robustness and electromagnetic properties. Building on these predictions, a 2 kW, 60 000 min−1 high-speed reluctance motor featuring this rotor was designed and optimized. To support the optimization process, various scripts and programs were developed in Python, including an optimization environment and logic using the NSGA-II optimization algorithm, scripts for controlling and processing electromagnetic simulations via the finite element method, and a thermal model with a graphical interface to estimate expected temperatures in the machine. Following this optimization, the final machine design was selected and subsequently manufactured. During manufacturing, the rotor’s inductance was measured both before and after heat treatment, and the homogeneity of the rotor face’s microhardness was verified. The complete machine’s properties were then tested through static and dynamic measurements, with results compared against simulations. During the testing, the machine reached approximately two-thirds of its nominal speed due to excessive vibrations, requiring further performance verification at lower speeds. Nonetheless, these steps were sufficient to validate the functionality and feasibility of the proposed rotor design for the high-speed reluctance machine. Additionally, this is one of the first published and tested machines with a rotor manufactured using multi-material metal additive metal manufacturing. This work presents a novel solution that expands the possibilities for high-speed machines, as confirmed by the awarded patent for this design. Furthermore, the research raised numerous questions and opened new paths for further investigation.

Keywords:

Axially laminated rotor, high-speed motor, multi-material additive manufacturing, optimization, solid rotor, synchronous reluctance motor

Date of defence

28.02.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Obhajoba proběhla prezenční formou. V rámci obhajoby doktorand seznámil komisi s výsledky své disertační práce, včetně vlastních přínosů. Po skončení prezentace doktoranda jeho školitel seznámil přítomné se svým hodnocením celého průběhu studia. Následovala prezentace oponentních posudků a diskuse k dotazům a připomínkám oponentů. Poté ve veřejné diskusi vystoupili s dotazy/připomínkami k disertační práci prof. Aubrecht, prof. Toman. Písemný záznam dotazů je přílohou protokolu. Všechny dotazy oponentů i v rámci veřejné diskuse byly doktorandem správně vypořádány. Doktorand prokázal tvůrčí schopnosti v dané oblasti výzkumu a práce splňuje požadavky standardně kladené na dizertační práce v daném oboru. V neveřejné diskusi a po tajném hlasování komise konstatovala, že doktorand splnil podmínky par. 47 odst. 4 Zákona o vysokých školách č. 111/98 a lze jí tedy udělit titul doktor - Ph.D.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Systems and Power Electronics (DKC-SEE)

Composition of Committee

prof. RNDr. Vladimír Aubrecht, CSc. (předseda)
prof. Ing. Petr Toman, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Wolf (člen)
doc. Ing. Miroslav Chomát, CSc. (člen)
doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D.

Téma disertační práce od počátku spočívalo v oblasti vysokootáčkových elektrických strojů. V první části studia bylo zaměřeno na asynchronní stroje s drážkovaným rotorem a synchronní stroje s permanentními magnety. V tomto období byly také doktorandem značně rozpracovány vlastní softwarové nástroje pro výpočet a optimalizaci. Po převzetí vedení disertační práce bylo doktorandovi navrženo upravit zaměření práce s ohledem na možnosti, které nově přinesl rozvoj aditivní výroby, spočívající v kombinaci dvou kovových materiálů v jedné tištěné vrstvě, a využít jej pro konstrukci a výrobu rotoru vysokootáčkového motoru. Doktorand se této myšlenky velmi aktivně ujal, rozvinul ji a úspěšně aplikoval do oblasti synchronního reluktančního motoru. Velmi aktivně se také podílel na zajištění výroby vzorku motoru a koordinaci nezbytné spolupráce s pracovníky Fakulty strojního inženýrství. Připravil měřicí pracoviště, provedl zkoušky a vyhodnotil výsledky. 
Doktorand pracoval na tématu velice pečlivě a samostatně, práci pravidelně konzultoval se svým školitelem a podle potřeby také s dalšími pracovníky VUT v Brně. Práce je po odborné stránce zpracována velmi kvalitně. Jádro práce bylo publikováno v impaktovaném časopise IEEE Transactions on Energy Conversion (prozatím v režimu Early Access). Doktorand je také spolupůvodcem patentu s názvem „Způsob výroby rotoru synchronního reluktančního motoru a rotor synchronního reluktančního motoru“.
Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě.
viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 342,21 kB

Reviewer’s report
doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 356,73 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová