Line Start Permanent Magnet Synchronous Machine (LSPMSM) is a high-efficiency motor, easy to operate, with great potential of application. Due to the capacity to start directly after supplying from a net, which is characteristic for the induction motors, and the ability to operate with synchronus speed at variable load, the LSPMSM in many areas is an interesting alternative to the commonly used induction motors. The aim of this work is to create a tool for the analysis and designing of the LSPMSM based on an analytical model that takes into account the geometry, stator windings parameters and properties of the used materials, which can be implemented in the optimization procedure. A solution of a properly defined design optimization task should give the result of finding the best design, which is characterized mainly by efficiency meeting the highest standards. The first chapter discusses some basic properties of the LSPMSM, based on a national and foreign professional literature review. Problems associated with the analysis of this type of machine as well as the main aspects of what should be kept in mind while designing a LSPMSM has been outlined. The discussion refers to three-phase and single-phase machines. The second chapter focuses on the procedure of selecting the structure of LSPMSM, which serves later in the thesis to define the reference design. The type of active materials used in the analysis has been defined. This section also presents the results of a comparative analysis of the LSPMSM and an induction motor of similar size and rated power. The third chapter describes the proposed universal analysis tool, which is magnetically linear analytical model of the LSPMSM created in the Matlab environment. Results were presented concerning i.a. magnetic flux density in selected parts of the machine, prediction of iron loss and noise generation. This section describes the procedure for refinement and verification of the proposed model using field calculations in Flux 2D, based on the finite element method (FEM). The fourth chapter demonstrates the significant scope of use of the LSPMSM analytical model. The results have been presented allowing an evaluation of such properties as line starting, self-synchronization and overload capacity. A description of optimization method, definitions of design optimization tasks as well as adopted optimization variables and constraints has been included in chapter five. It contains the results of two optimization problems: scalar one concerning maximization of the LSPMSM efficiency and bicriterial one concerning a search for the structure representing a compromise between high efficiency and low cost of the machine. The sixth chapter is a description of the laboratory stand and measurement results used for experimental verification of the adopted optimization procedure. The verification has concerned the LSPMSM prototype designed with the help of the proposed model described in the earlier part of the work. Experimentally determined machine properties during a synchronous operation as well as during a start-up have ultimately validated the applied designing procedure.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim (z ang. LSPMSM) to wysokosprawna maszyna, prosta w eksploatacji, o dużym potencjale zastosowań. Z uwagi na zdolność do samorozruchu charakterystyczną dla silników indukcyjnych oraz możliwość pracy z prędkością synchroniczną przy zmiennym momencie obciążenia, LSPMSM jest w wielu obszarach interesującą alternatywą dla powszechnie stosowanych silników indukcyjnych. Celem niniejszej pracy jest stworzenie narzędzia do analizy i projektowania LSPMSM w postaci modelu analitycznego, uwzględniającego parametry geometrii, uzwojenia stojana i właściwości użytych materiałów, który można zaimplementować w procedurze optymalizacyjnej. Optymalne rozwiązanie odpowiednio zdefiniowanego zadania projektowego powinno dać rezultat w postaci znalezienia najlepszej konstrukcji, cechującej się przede wszystkim sprawnością spełniającą najwyższe standardy. W pierwszym rozdziale omówiono podstawowe własności LSPMSM na podstawie przeglądu literatury krajowej i zagranicznej. Nakreślono problemy związane z analizą tego typu maszyn oraz podstawowe aspekty, o jakich należy pamiętać przy ich projektowaniu. Omówienie dotyczy maszyn trójfazowych oraz jednofazowych. W drugim rozdziale opisano procedurę wyboru konstrukcji LSPMSM, która posłużyła w dalszej części pracy do zdefiniowania modelu wyjściowego. Określono typ materiałów użytych w analizie. W tej części pracy przedstawiono również wynik analizy porównawczej z silnikiem indukcyjnym o podobnych gabarytach i mocy znamionowej. W rozdziale trzecim opisano zaproponowane uniwersalne narzędzie analizy, jakim jest model analityczny magnetycznie liniowy LSPMSM utworzony w środowisku Matlab. Zaprezentowano m.in. wyniki dotyczące indukcji magnetycznej w wybranych częściach maszyny, strat w żelazie oraz hałasu. Rozdział opisuje także procedurę udokładniania i weryfikacji modelu przy użyciu obliczeń polowych w programie Flux 2D, posługującym się metodą elementów skończonych (z ang. FEM). Rozdział czwarty dotyczy wykazania szerokich możliwości wykorzystania modelu analitycznego LSPMSM. Zaprezentowano wyniki pozwalające na ocenę takich własności maszyny jak rozruch bezpośredni, samo- synchronizacja oraz przeciążalność. Opis metody optymalizacji, definicje przykładów zadań projektowych oraz przyjętych zmiennych i ograniczeń zostały zawarte w rozdziale piątym. Zaprezentowano wyniki dwóch problemów optymalizacyjnych: skalarnego dotyczącego maksymalizacji sprawności LSPMSM oraz bikryterialnego w którym poszukiwano konstrukcji stanowiącej kompromis pomiędzy wysoką sprawnością i niskim kosztem maszyny. Szósty rozdział stanowi opis stanowiska laboratoryjnego służącego do eksperymentalnej weryfikacji przyjętego postępowania optymalizacyjnego. Weryfikacja ta dotyczyła prototypu silnika LSPMSM zaprojektowanego z wykorzystaniem optymalizacji i zaproponowanego modelu opisanego we wcześniejszej części pracy. Pomiarowo wyznaczono własności silnika w stanie pracy z prędkością ustaloną synchroniczną oraz podczas rozruchu i ostatecznie zweryfikowano poprawność przyjętej metody projektowania.