L’alternateur étudié dans cette thèse équipe une éolienne flottante à axe vertical. Il s’agit d’unemachine synchrone de 2MW, polyphasée, bobinée sur plots, à pas fractionnaire, à aimants et à prisedirecte. L’objectif majeur de la thèse est la caractérisation de cet alternateur afin d’en évaluer lesperformances. Une modélisation analytique de la perméance d'entrefer et de la force magnétomotriceont conduit à l'étude de l'induction d'entrefer dont le contenu harmonique s'est révélé êtreparticulièrement riche. La caractérisation a également porté sur la détermination des inductancespropres et mutuelles, avec un calage du modèle effectué en exploitant des mesures expérimentalesfaites à l’arrêt. La particularité de la machine étudiée nous a amené à considérer un enroulement fictiféquivalent dans le but de déterminer les inductances cycliques, nécessaires à l'établissement du schémamonophasé équivalent. De plus, le fonctionnement back to back de la machine a été étudié et simulé. Ilpermet de faire des tests de la machine elle-même mais aussi des éléments de la chaîne de conversion,sans l'utilisation d'une deuxième machine ou des pâles pour entraîner le rotor du prototype. Il offre enplus la possibilité de tester différents type de fonctionnements et d'évaluer la puissance que peutproduire la machine : différents scénario de fonctionnement ont été simulés et les paramètresnécessaires aux essais sur site ont été définis. Le fonctionnement back to back a fait l’objetd’investigation sur une machine synchrone classique. Les difficultés de fonctionnement ontnotamment pu être mises en évidence avec une modélisation analytique des phénomènesélectromagnétique qui s'y produisent et des essais expérimentaux. / The studied alternator equips a vertical axis offshore wind turbine. It is a 2MW fractional slotconcentrated winding permanent magnet synchronous polyphase machine, directly connected to bladeturbine. The principal purpose of this thesis consists in characterizing the alternator in order toevaluate its performances. The air gap permeance and the magnemotive force analytical modelingleads to study the air gap flux density and its harmonic content, which is particularly rich. Thecharacterization has also concerned the self and mutual inductance determination, which has requiredstalling the model by exploiting experimental measurements done at standstill. The particularity of thestudied machine leads us to consider an equivalent fictitious winding in order to determine the cyclicalinductances, necessary for the single-phase equivalent scheme establishment. Moreover, the machineback to back functioning has been studied and simulated. This functioning allows testing the machineitself and the other conversion chain subsystems, without using a second machine or blades to drivethe prototype rotor. It offers the possibility to test different types of operating points and to estimatethe power that can produce the studied machine: different operating points scenarios have beensimulated and parameters for tests have been defined. The back to back functioning of a classicalsynchronous machine has been also investigated, with an analytical modeling of the electromagneticphenomena and experimental tests.

The thesis theme is the design of 3 MW high-speed permanent magnet synchronous motor. The work is divided into several parts, and contains the information given on the topic. The first part lists trends and new technologies of high-speed electric machines, and the issues and construction of high-speed synchronous machines are also listed here. In the second part, the machine is analytically designed from the specified values, which is then modelled in the RMxprt program. In the penultimate part, the engine is simulated by programs that are included in the ANSYS Electronics Desktop package, they are RMxprt and Maxwell. The modified engine model in RMxprt is simulated using defined formulas and then converted to Maxwell 2D, where the engine is simulated using the finite element method. In the last part, the results from the analytical calculation are compared with other high-speed machines. In addition, the results of simulations from RMxprt and Maxwell were compared in the last part.

This thesis deals with the possibility of using the finite elements method for the analysing of synchronous permanent magnets machines. The aim of this work is to discuss the possibility of the machine design more effectively with using the finite elements method and Maxwell software for the simulations. On the created parametric model, simulations were performed according to master thesis assignment. The aim of this work is to determine induced voltage, iron losses, machine inductances and make a permanent magnets demagnetization analysis. From simulations results the machine efficiency is calculated. The parametric model was used for the optimization of selected parameters. From results of optimization new dimensions of permanent magnets was obtained. Machine efficiency was increased by new permanent magnet material and optimized design.

The theme of this thesis is the design and verification of the auxiliary winding to supply the voltage regulator of the synchronous generator. The synchronous generator for which the auxiliary winding proposed is three-phase, low voltage with double layer random wound stator winding. The generator excitation is brushless with auxiliary rotating exciter. The auxiliary winding is designed for placement in the stator teeth, along with the main winding. The sizing of the auxiliary winding is derived from the power requirements the voltage regulator. Draft winding is validated analytical calculation and finite element method (FEM). The auxiliary winding has been implemented in the production of the generator. The Features of the auxiliary winding have been verified by measuring the by electrical testing room and the test results are evaluated.

Permanent magnet synchronous machine (PMSM) are widely used in many industrial applications. This thesis starts with familiarization with the properties and structure of each type of synchronous machines with permanent magnets. Subsequently there are described properties and possible division of AC winding types. Afterward analytical designs of four machines with two different types of winding were realized. These designs were compared by means of simulations using the RMxprt program and their properties were subsequently verified by method of finite element using the Maxwell 2D program. Evaluation and comparison in terms of utility properties for all designs of machines were performed at the conclusion of this thesis.

L’avènement des aimants permanents et les progrès récents dans l’électronique de puissance ont joué un rôle majeur dans l’évolution de la motorisation électrique des véhicules. Actuellement, les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) grâce à leurs performances, et surtout leur efficacité énergétique, sont considérées comme les candidats idéaux pour les chaînes de traction des véhicules hybrides et électriques. Toutefois, en raison du vieillissement des matériaux, des défauts de fabrication ou des conditions de fonctionnement assez sévères, différents types de défauts sont capables de survenir dans les composants de la machine, ses organes de commande ou de mesure. Pour répondre aux exigences de sûreté, de fiabilité et de disponibilité, l’intégration d’une approche de surveillance et de diagnostic de défauts, dans le groupe motopropulseur électrique automobile, devient de plus en plus primordiale. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de contribuer au diagnostic et à la caractérisation de défauts dans la MSAP par une analyse vibratoire. En premier temps, des approches analytiques de modélisation de la MSAP et des défauts : de court-circuit inter-spires, d’excentricité et de démagnétisation rotoriques serontproposées. L’intérêt majeur de tels modèles, dans le cadre du diagnostic, est d’étudier le comportement de la machine en présence de défauts étudiés afin d’en déduire les méthodes de détection les plus adaptées. En outre, des modèles numériques seront développés afin de les confronter aux parties magnétique et mécanique analytiques de la machine ainsi qu’au défaut de démagnétisation. Dans la phase d’analyse des impacts de défauts, nous allons nous focaliser sur les cas d’excentricité et de démagnétisation rotoriques. Les indicateurs de défauts seront extraits des représentations du signal vibratoire dans le temps et l’espace et de leurs transformées de Fourier, pour les cas de défauts simples et les cas de deux défauts combinés. Pour les cas simples, deux approches de localisation seront proposées : la première utilise le principe de tests statistiques et de tables de signatures, inspirée des méthodes de diagnostic à base de modèles, alors que la deuxième repose sur un banc de trois réseaux de neurones, où chacun est à une entrée et une sortie et destiné à localiser un type de défaut. Enfin, les performances des deux approches, en termes de robustesse et d’adaptabilité, seront comparées pour les mêmes ensembles de seuillage/d’apprentissage et de test. / The advent of new magnetic materials and recent advances in power electronics have played a major role in the progress of hybrid electric vehicles. Nowadays, permanent magnet synchronous machines (PMSM) thanks to their performances, especially their energy efficiency, are considered as ideal candidates for the traction chains of hybrid and electric vehicles. However, due to material aging, manufacturing defects or severe operating conditions, different types of faults are capable to occur in the machine components, its control or measuring devices. In order to ensure safety, reliability and availability, the integration of a fault diagnosis and condition monitoring approach in the automotive electrical powertrain system is becoming more and more important. In this context, the aim of the thesis is to contribute to the diagnosis and characterization of faults in the PMSM based on a vibration analysis. First, analytical modeling approaches for the PMSM and inter-turn short-circuits, eccentricity and rotor demagnetization faults will be proposed. The major interest of such models, in a diagnosis context, is to study the behavior of the machine in the presence of studied faults in order to deduce the most suitable detection methods. In addition, numerical models will be developed in order to validate the analytical magnetic and mechanical parts of the machine as well as the demagnetization fault. In the phase of fault impact analysis, we will focus on the cases of rotor eccentricity and demagnetization. The fault indicators will be extracted from the vibratory signal representations in time and space domains and their Fourier transforms, in the cases of single faults and the cases of two combined faults. For single fault cases, two diagnosis approaches will be proposed: the first uses the principle of statistical tests and fault signature tables, inspired by model-based diagnosis methods, while the second relies on a set of three neural networks, such as each one is with a single input and a single output and dedicated to isolate one type of fault. Finally, the performance of these two approaches, in terms of robustness and adaptability, will be compared for the same training and test sets.

Ce mémoire de thèse traite la problématique des émissions vibroacoustiques dès les premières phases de conception de machines électriques dans le but de mettre en œuvre des machines robustes, fiables et surtout efficientes répondant aux contraintes dans un large domaine d’applications et spécialement pour le véhicule électrique et hybride. Ce manuscrit ne s’intéresse pas seulement à l’identification et la mise en exergue de la problématique vibroacoustique mais surtout a apporté des solutions et des éléments de réponse à certaines contraintes. La problématique vibroacoustique étant trop vaste et trop complexe, ce travail de thèse se focalise sur les aspects vibroacoustiques d’origine électromagnétiques. Pour ce faire, les méthodes de réduction de bruit sont présentées mais seules les solutions de réduction passive sont évoquées. Ces solutions se basent sur le dimensionnement et la conception par optimisation de machines électriques performantes et moins bruyantes. Cela nous ramène au cœur de ce travail qui est le développement d’outils et de modèles multi-physique réunissant les critères de généricité, rapidité, précision et facilité de couplage. Dans ce cadre, plusieurs modèles électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques, et acoustiques sont présentés. Différentes stratégies de couplages et d’approches de modélisation sont investiguées. Des conclusions sont tirées à chaque fois en fonction des besoins pour le cas d’application. / This PhD thesis deals with the issue of vibroacoustic emissions from the first design phases of electrical machines in order to have robust, reliable and above all efficient machines that meet the constraints in a wide range of applications and especially electrical vehicles. This manuscript is not only interested in the identification and highlighting the vibroacoustic problem, but above all to brought solutions and response elements to certain constraints. Knowing that the vibroacoustic problem is too vast and complex, this thesis focuses on vibroacoustic aspects of electromagnetic origin. To do so, the methods of noise reduction are presented but only the passive reduction solutions are used. These solutions are based on the design and optimization of efficient and less noisy electrical machines. This brings us back to the core of this work, which is the development of tools and multi-physics models combining the criteria of genericity, speed, accuracy and simplicity of coupling. In this context, several electric, magnetic, mechanical, thermal and acoustic models are presented. Different coupling strategies and modeling approaches are investigated. Conclusions are drawn each time according to the needs for the application use case.

Elektrische Maschinen werden heutzutage auf mannigfaltigen Gebieten eingesetzt. Sie verrichten ihre Aufgaben in leistungsstarken Industrieantrieben für Erzmühlen oder Stahlwalzen, als Synchrongeneratoren zur Elektroenergieerzeugung, in Fertigungsanlagen wie Backstraßen oder Fließbänder oder auch im Verkehr, in Zügen oder verstärkt nun auch in Automobilen. Sie erleichtern uns aber auch den Alltag an Stellen, wo sie oft gar nicht wahrgenommen werden. Sie ermöglichen nützliche Helferlein im Auto mithilfe von Servomotoren – Scheibenwischer, Fensterheber oder Seitenspiegelverstellung sind nur ausgewählte Beispiele. Aber auch Fensterrollläden, Klimaanlagen oder Fahrstühle benötigen elektrische Antriebe. Darüber hinaus verstecken sich sie sich als Klein- und Kleinstmaschinen in medizinischen Geräten wie dem Zahnarztbohrer oder in Pflegeprodukten des täglichen Bedarfs von der Haarschneidemaschine, über den Nasenhaartrimmer und Föhn bis hin zur elektrischen Zahnbürste. Da Elektromotoren also in immer mehr Geräten stecken, müssen auch immer größere Stückzahlen gefertigt werden, die am besten nichts kosten. Es besteht somit die große Herausforderung all die Bedürfnisse ressourcenschonend und kostengünstig zu bedienen. Aus diesem Gedanken heraus entstand am Lehrstuhl die Idee, Wicklungen elektrischer Kleinmaschinen zu drucken. Dies geschieht mithilfe der Siebdrucktechnik, wie es schon heute bei RFID-Chips die Regel ist. Es handelt sich also um ein erprobtes Verfahren, das eine günstige Fertigung großer Stückzahlen erlaubt. Erste Erfahrungen wurden bereits gesammelt, hier sei auf [10], [11] und [12] verwiesen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen diese Grundlagen nun ausgebaut, gefestigt, sowie erweitert werden. Um einen Eindruck und Überblick zu gewinnen, wird im Folgenden eine Reihe elektrischer Kleinmaschinen entworfen. Hierbei sollen Probleme ausfindig gemacht, Lösungen eruiert und Abweichungen zum konventionellen Entwurf aufgezeigt werden. Im Rahmen dessen werden Berechnungsvorschriften für siebgedruckte Wicklungen abgeleitet und diese schließlich zur Berechnung einer Maschinenreihe mit verschiedenen Außendurchmessern und Längen genutzt. Am Ende der Arbeit sollen ausgewählte Motoren aus der berechneten Reihe stehen, an denen Messungen stattfinden um die verwendeten Algorithmen zu verifizieren.:1 Einführung 2 Der prinzipielle Aufbau der zu entwerfenden Kleinmaschinen 2.1 Der Aufbau konventioneller Kleinmaschinen 2.2 Der mechanische Aufbau 2.3 Gedruckte Wicklungen 3 Theoretischer Entwurfs- und Rechengang 3.1 Maschinenentwurf 3.1.1 Magnetkreisentwurf 3.1.2 Abmessungen 3.1.3 Entwurf der Wicklung 3.2 Nachrechnung 3.2.1 Ohmscher Widerstand, Nennstrom und Stromdichte 3.2.2 Magnetische Spannungsabfälle 3.2.3 Induktivität und Reaktanz 3.2.4 Kraft, Drehmoment und mechanische Leistung 3.2.5 Verluste, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 3.2.6 Ausnutzungsfaktor, Strombelag und Charakteristisches Produkt 3.3 Bestimmung des Drehmoments 4 Ein zahlenmäßiger Entwurfsgang anhand einer Beispielmaschine 4.1 Vorgaben 4.2 Maschinenentwurf 4.2.1 Magnetkreisentwurf 4.2.2 Abmessungen 4.2.3 Entwurf der Wicklung 4.3 Nachrechnung 4.3.1 Ohmscher Widerstand, Nennstrom und Stromdichte 4.3.2 Magnetische Spannungsabfälle 4.3.3 Induktivität und Reaktanz 4.3.4 Kraft, Drehmoment und mechanische Leistung 4.3.5 Verluste, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 4.3.6 Ausnutzungsfaktor, Strombelag und Charakteristisches Produkt 5 Die Maschinenreihe im Detail 5.1 Die Maschinenreihe im Vergleich 5.2 Außendurchmesser 40 mm 5.3 Ein Vergleich mit am Markt erhältlichen Maschinen 6 Fertigung und Maschinenpraxis ausgewählter Modelle 6.1 Vorbereitungen 6.2 Die gedruckten Wicklungen 6.3 Ein praktischer Ausblick 6.4 Potenzial und Ausblick – Steigerung der Effizienz 7 Zusammenfassung A Das FEM-Modell zur Ermittlung der Läuferinduktion B Die Maschinenreihe C Praktische Ausführungen zum Maschinenentwurf

This thesis deals with the steady-state, dynamic and control aspects of new type of brushless configuration of a doubly-fed induction machine in which the slip rings and carbon brushes are replaced by rotating power electronics and a rotating exciter. The aim is to study the stability of this novel configuration of the generator under mechanical and grid disturbances for wind power applications. The derivation, development and analysis of the steady-state model of the brushless doubly-fed induction machine with a rotating excitor and the power electronic converters mounted on the shaft and rotating with it, is studied. The study is performed at rated power of the generator between ±20% slip range. Moreover unity power factor operation between ±20% speed range is also discussed. Furthermore dynamic modeling and control aspects of the generator are also analyzed. The controllers were designed using Internal Model Control principles and vector control methods were used in order to control the generator in a closed-loop system. It is shown that through the use of proper feedback control, the generator behaves in a stable state both at super-synchronous and sub-synchronous speeds. Moreover Low Voltage Ride Through of the generator during symmetrical and unsymmetrical voltage dips is also investigated. Passive Resistive Network strategy is employed for Low Voltage Ride Through of the generator during symmetrical voltage dips. On the other hand, Extended Vector Control is used in order to control the negative sequence currents during unsymmetrical voltage dips. Suppression of negative sequence currents is important as they cause extra heating in the windings and affects the lifetime of the mechanical and electrical components of the generator and system due to oscillations in power and torque. In addition to the above studies a steady-state model of a single-fed induction machine is also developed and investigated where the rotating exciter is removed and the rotor windings are short-circuited through the two rotating power electronic converters. In this way the slip power circulates in the rotor and with the help of the two rotating electronic converters, rotor current is used to magnetize the induction machine thereby improving the power factor. The steady state model is verified through experimental results. / <p>20120914</p> / Brushless Wind Generator with Rotating Power Electronic Converters

This report summarizes the thesis study carried out at Scania CV AB. The study presents design optimization of an interior permanent magnetic (IPM) synchronous machine. A parameterised Matlab tool was developed in order to serve the optimization routine. In this routine, multiple IPM geometries are dynamically generated and analyzed using the finite element method (FEM) software Flux 2D. Using the Secant method, algorithms to estimate the optimum current and control angle throughout the speed range both below and above base speed, were developed and integrated with the Matlab tool to perform design optimization towards the drive cycle. The genetic algorithm available in the Matlab’s global optimization toolbox has been utilised for the multi-objective optimization setup. / Denna rapport sammanfattar examensarbetet som genomförts på Scania CV AB. Studien presenterar en designoptimering av en permanentmagnetiserad (IPM) synkronmaskin. Ett parametriserat Matlab-verktyg för optimeringar utvecklades for att dynamiskt generera geometrier för att utföra simuleringar med hjälp av FEM-programvara (Flux2D®). Med hjälp av Sekant-metoden utvecklades och integrerades algoritmer för att estimera den optimala strömmen och styrvinkeln i hela varvtalssområdet, både under basvarvtal och i fältförsvagningsområdet. Med hjälp av Matlab-verktyget kunde sedan designoptimering för en given k¨orcykel utföras. Den genetiska algoritmen som finns tillgänglig i Matlabs globala optimeringsverktygslåda har använts för det multi-objektiva optimeringsprogrammet.