Double rotor machines, appearing in versatile forms and configurations thanks to the great flexibility of having a pair of rotors, are seen in a number of applications. Double rotor machines show promising prospect in the application of advanced hybrid electric vehicle powertrains due to the requirement of dual electro-mechanical ports in such systems. Integrating these powertrain systems with double rotor machines not only brings design freedom of laying out components, but also reduces number of parts and thus improves compactness. The switched reluctance type double rotor machines, offering unique characteristics of having a simple structure and no permanent magnets, are strong candidates for high performance applications. In this thesis, a family of double rotor switched reluctance machine with segmented rotors is proposed and studied. Compared to double rotor switched reluctance machines with a more conventional structure, the proposed designs exhibit potentials of achieving higher compactness and performance. A prototype double rotor machine of the segmented rotor design is constructed and tested to benchmark an existing double rotor switched reluctance machine. The experiment results show that the proposed design is able to achieve the same output with similar or higher efficiency than the benchmark machine, while occupying only about 60% of overall volume. The double segmented rotor switched reluctance machine demonstrates to be a promising double rotor topology and is worth further research. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

<p>The world transportation sector has been relying on the oil industry for more than a hundred years, accounting for the largest oil consumption and one third of the greenhouse gas emissions. However, with the boosting demand, escalating national energy security concerns and emerging environmental issues, reducing and displacing petroleum fuel in transportation sector has become an urging global target. As a result, hybrid electric vehicles evolve as one solution to displace petroleum fuel by utilizing vehicle onboard electrical systems, achieving higher fuel economy and less emissions by vehicle electrification and hybridization.</p> <p>However, since hybrid electric vehicles add additional electrical components and systems to realize better fuel economy, the system complexity increases and thus the cost increases. Hence, it is an objective of this thesis research to focus on the integrations and optimizations, aiming to simplify and optimize the hybrid power-trains in both system level and component level.</p> <p>This thesis contributes to a novel integrated electro-mechanical hybrid transmission that is potentially more compact and more operational flexible with fewer components compared to the GM Allison Two-Mode hybrid transmission. Comprehensive commercialized power-train transmissions are reviewed and analyzed to serve as background information for comparison. It also contributes to a family of double-rotor switched reluctance machines that are more integrated and suitable for hybrid electric vehicle applications. A prototype double-rotor switched reluctance machine has been built and tested for concept proving. Detailed machine design process is reported with the emphasis on design novelties. Finite element analysis and optimization techniques are applied and the accuracy is confirmed by the experiments. In addition, methods of machine loss analysis, thermal analysis and drive analysis are established; manufacturing and testing procedures are documented in detail that can be used for future machine designs guidance.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

La thèse résume la recherche sur le fonctionnement et l’écoulement autour d’une éolienne caréné à deux rotors. Le placement d’une turbine à l’entrée d’un canal divergent permet d’augmenter le débit massique à travers le rotor. Afin de mieux tirer parti de l’augmentation de la vitesse du vent à l’entrée du diffuseur, il a été décidé d’examiner la possibilité de placer un deuxième rotor, tournant dans le sens opposé, dans cette zone.L'étude menée combinait plusieurs voies de recherche différentes, y compris les méthodes de la mécanique des fluides numérique (CFD) et des études expérimentales. Cela a permis de mieux comprendre la nature de l'écoulement et du fonctionnement d'une éolienne à deux rotors. Des recherches expérimentales ont été menées dans la soufflerie de l’Institut de Turbomachinerie de l’Ecole Polytechnique de Lodz (Pologne). Une série de mesures de systèmes d'éoliennes divers, avec et sans carénage, à un et deux rotors, a été réalisée. Les résultats recueillis ont permis de confirmer que le carénage pouvait augmenter considérablement (même deux fois) l'efficacité du rotor. Cependant, les forces aérodynamiques et la vitesse de rotation augmentent également. Cet inconvénient peut être partiellement résolu en utilisant un deuxième rotor et en répartissant les charges aérodynamiques sur deux étages de turbine.Une partie importante de l'étude était les simulations numériques. Ils ont permis de préciser la nature et les paramètres de l'écoulement et d'estimer leur impact sur les performances de l'éolienne. Deux modèles numériques différents ont été développés:• Modèle rotor complet (anglais : Fully-resolved Rotor Model, FRM): modèle URANS dans ANSYS CFX, basé sur la discrétisation de la géométrie complète du rotor; ce modèle a été utilisé pour l'analyse de l’écoulement,• Modèle hybride CFD-BET (théorie de l’élément de pâle): modèle RANS dans ANSYS Fluent, dans lequel le rotor est représenté par les termes source dans les équations de Navier-Stokes, déterminés par un code interne; ce modèle a été utilisé pour évaluer les performances de différentes configurations d'éoliennes.Au cours de la recherche, une correction empirique interne de la perte d’extrémité de la pâle (anglais : tip loss correction) a été proposée, en tenant compte de l’influence du diffuseur. L’étude réalisée a permis d’observer, entre autres, que le déplacement du rotor en aval vers la sortie du diffuseur pouvait entraîner une réduction de la vitesse du vent à travers le rotor en amont, placé à l’entrée du diffuseur, et une diminution de la puissance globale du système. / Doctoral dissertation summarizes the research on the functioning and flow around a two-stage, shrouded wind turbine. Placing the turbine at the inlet of a diverging channel allows to increase the mass flow rate of the flow through the rotor. To better take advantage of the increase in wind speed at the diffuser inlet, it was decided to examine the possibility of placing a second rotor in this area, with the opposite direction of rotation.The conducted study combined several different research paths, including Computational Fluid Dynamics (CFD) methods and experimental studies. This allowed for a more refined understanding of the nature of the flow and operation of a wind turbine with two rotors. Experimental research was carried out in the IMP TUL wind tunnel. A series of measurements of various turbine systems with and without shroud, with single- and double-rotor wind turbine were made. The collected results allowed to confirm that the shrouding can significantly (even twice) increase the efficiency of the rotor. However, aerodynamic forces and rotational speed also increase. This disadvantage can be partially addressed by using a second rotor and distributing aerodynamic loads to two turbine stages.An important part of the study were numerical simulations. They allowed to specify in more detail the nature and parameters of the flow and to estimate their impact on the performance of the wind turbine. Two different numerical models were developed:• Fully-resolved Rotor Model: URANS model in ANSYS CFX, based on discretising the entire geometry of the rotor, used for the flow analysis,• Hybrid model CFD-BET (Blade-Element Theory): RANS model in ANSYS Fluent, in which the rotor is represented by source terms in the Navier-Stokes equations, determined by an in-house code; the model was used to evaluate the performance of different wind turbine configurations.In the course of the research an in-house, empirical tip loss correction was proposed, taking into account the influence of the diffuser. The performed study permitted to observe, among others, that moving the rear rotor towards the outlet of the diffuser may result in a reduction of the wind speed through the front rotor, placed at the inlet to the diffuser, and a decrease in the overall system power.

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la commande non linéaire des structures éoliennes. Le premier objectif de cette thèse est la commande d’une éolienne standard fonctionnant à vitesse et angle de calage variables. Les stratégies de commande proposées permettant de commander l’éolienne dans des zones de fonctionnement différentes (optimisation et limitation de la puissance produite). Le deuxième objectif consiste en la conception de commande d’une nouvelle structure d’éolienne à double rotor. L’originalité de cette structure réside dans le fait qu’elle peut pivoter face au vent sans actionneur dédié, et ce grâce à la rotation libre du bras portant les deux éoliennes. Deux architectures de commande sont proposées afin d’orienter la structure face au vent : l’une crée un différentiel des angles de calage des pales des deux éoliennes, l’autre agissant via la différence de puissance produite par les deux génératrices. Étant donné que l’environnement est incertain et fortement perturbé (variations du vent, erreurs de modélisation, bruits de mesure), des lois de commande non linéaires robustes sont proposées. L’efficacité des stratégies de commande a été vérifiée selon différents scénarios. / This work deals the nonlinear control of wind turbine structures. The first objective is the design of control laws of a standard wind turbine with variable speed-variable pitch angle. The proposed control strategies allow controlling the wind turbine indifferent operating areas (optimization and powerlimitation).The second objective consists in controlling a new structure of twin wind turbines. The originality of this structure lies in the fact that it can rotate face the wind without using a dedicated actuator, thanks to the free rotation of the arm carrying the wind turbines. Two control architectures are proposed in order to ensure the structure face the wind : pitch angles differential and the produced power difference. Given that the environment is uncertain (windvariations, modeling errors, noise), robust nonlinear control laws are proposed for a multiple objectives. The efficiency of the control strategies have been carried out according to several scenarios.