Policies to reduce emissions from transportation are implemented by different World and European<p>associations. Personal and freight transportation is one of the key contributors in GHG<p>emissions, being the second biggest GHG emitter after energy sector in the European Union.<p>The policies to reduce emissions from transportation are focusing on the optimization of the efficiency<p>of the existing vehicles, the development of new sustainable fuels and propulsion systems<p>and the electrification of the vehicles<p>The continuously increasing price of the permanent magnets and the shortage of rare earths<p>demand the finding of alternatives for the permanent magnet synchronous machines which is<p>currently the leading technology in several domains as hybrid and full electric propulsion and<p>wind turbines due to their best overall performances.<p>The good efficiency and the large constant power-speed ratio in addition to low the cost, high<p>reliability and fault-tolerance make the SRM a candidate with real chances on the market of<p>vehicle propulsion. The main drawbacks of the SRM related to the torque ripple, noise and<p>vibration make the research object in R&Ds all over the world.<p>This thesis is focused on the development of an efficient and robust switched reluctance drive<p>which can be integrated in a hybrid dive train or can be solely used for electric vehicle traction.<p>To achieve this goal, various instantaneous and average torque control techniques are implemented<p>and compared. A converter is designed, built and integrated on a test bench which<p>allows testing SRMs for vehicle propulsion. An investigation on noise production in SRDs ends<p>the thesis. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le moteur à réluctance variable (MRV) est en train de gagner beaucoup d'intérêt dans les applications de traction électrique grâce à la compatibilité significative entre ses caractéristiques naturelles et les exigences de l'industrie automobile. Cependant, à cause de la caractéristique fortement non linéaire des grandeurs électromagnétiques du MRV, l'usure du moteur, les variations paramétriques dues aux tolérances de fabrication, et la dérive des paramètres durant le fonctionnement, les stratégies de commande classique ne permettent pas d'assurer des hautes performances de suivi de trajectoire et de robustesse en stabilité dans l'environnement de fonctionnement d'un véhicule électrique. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commande robustes du MRV en prenant en considération les contraintes imposées par les applications de traction. Afin d'atteindre cet objectif, une structure de commande en cascade, composée d'une boucle externe de vitesse et d'une boucle interne de courant, est envisagée. Les objectifs de synthèse sont ensuite fixés à travers un cahier des charges formulé en termes de gabarits fréquentiels, et les correcteurs robustes et adaptatifs de vitesse et de courant sont ainsi synthétisés en se basant sur les approches de commande H-infini et LPV/H- infini. La faisabilité des correcteurs constitue également un critère important dans les applications de traction électrique où la puissance de calcul embarqué dans le véhicule est très limitée. Ce critère est pris en considération dans cette thèse à travers l'utilisation des approches de synthèse des correcteurs H- infini d'ordre fixe. Les performances de ces correcteurs sont analysées et comparées avec les performances des correcteurs H- infini classiques à travers une étude par la μ-analyse de la robustesse en stabilité et une évaluation expérimentale. Le deuxième objectif de ces travaux de thèse est d'évaluer l'intérêt de la commande sans capteurs mécanique du MRV en se basant sur des méthodes d'estimation. Des observateurs robustes basés sur les modes glissants et le filtrage de Kalman sont ainsi synthétisés. Les performances et la robustesse de ces observateurs sont ensuite comparées expérimentalement dans une perspective d'une application de traction électrique. / The switched reluctance motor (SRM) is gaining much interest in electric vehicle applications. It includes robustness to harsh operational conditions, rugged structure, fault tolerant operation and a wide range of speed. However, due to the highly nonlinear electromagnetic characteristic, wear and tear of motor, manufacturing tolerances and parameters drift during operation, classical control strategies do not ensure high dynamical performance and robustness under various operating conditions in electric vehicle environment. In this context, the first purpose of this thesis is to propose robust control strategies of the SRM taking into account the constraints imposed by electric vehicle applications. To achieve this objective, a cascade control scheme is adopted; it consists of an outer speed loop and an inner current loop. Controllers design aims are fixed through specifications formulated in frequency domain, robust and adaptive controllers of speed and currents are thus synthesized based on H- infini and LPV/H- infini control approaches. Feasibility of these controllers is also an important criterion in electric vehicles applications where embedded computing power is very limited. This criterion is taken into account in this thesis by using fixed order controller synthesis approaches. The performances of these controllers are analyzed and compared with the performances of standard H- infini controllers through an experimental evaluation and a robustness analysis is performed using the concept of the Singular Structured Value, i.e. the μ-analysis. The second objective of this thesis is to assess the interest of the sensorless control of SRM. Robust observers based on second order sliding mode (SMO2) and Kalman filtering techniques (EKF) are designed to estimate the mechanical states of SRM. Performances and robustness of these observers are then compared experimentally in perspective of electric vehicle application.

Dans une application d’équipement automobile, la conception optimale d’un actionneur nécessite la prise en compte simultané des différents phénomènes physiques ; tant qu’en termes de performances attendues ainsi que les contraintes à respectées. Ces physiques comprennent la performance électromagnétique / électromécanique, comportement thermique et le comportement vibro-acoustique. En prenant en compte le coût et la faisabilité en matières de fabrications, la machine synchro-réluctante (Syncrel) à rotor segmenté a été démontré intéressante pour une application avec des fortes contraintes d’encombrement et thermique. Cette étude a donc pour objective d’évaluer la capacité de la machine Syncrel dans ces différents physiques et démontre les interactions entre eux, qui peuvent affecter les performances de la machine en fonctionnement. Des modèles multi-physiques ont été développés et validés en utilisant une machine prototype conçu précédemment pour un actionneur d’embrayage électrique. En se servant des modèles validés, différents critères de performances des différentes topologies de rotor de la machine Syncrel ont été aussi comparés. A l’issue de l’étude, les modèles électromagnétiques, électromécaniques, thermiques et vibro-acoustiques valides sont à nos dispositions pour être utilisés dans la conception de machine Syncrel en future. La machine Syncrel avec rotor segmenté a été démontrée capable pour être utilisé dans l'application de l'embrayage électrique étudié en particulier. Suite à des évaluations de performance en physique différente, des pistes d'améliorations ont également été proposées. / In an on-board automotive environment, machines optimal design requires simultaneous consideration of numerous physical phenomena; both in terms of expected performance or in terms of constraints to be respected. The physics that can be affected includes the electromagnetic / electromechanical performance, thermal behavior and vibro-acoustic behavior. Among a large choice of machine, with the manufacturer cost and manufacturing concern taken en into account, the synchronous reluctance machine with segmented has been found to be particularly interesting for application with severe ambient temperature and encumbrance limitation. This study has therefore as objectives to evaluate the capacity of the synchronous reluctance machine in ail physics mentioned and eventually shows the interaction between these physics, thus performance alteration of the machine in operated in the automobile equipment environment. Multi-physics model were developed and confronted to experimental validations using a prototype machine that was developed for an electrical clutch. Using the validated model, different performance figures of synchronous reluctance machines with different rotor topologies were compared. Resulting from the study, valid electromagnetic, electromechanical, thermal and vibro-acoustic models are now available to be used as tools in future machine design. The synchronous reluctance with segmented rotor prototype machine has been shown to be capable to be used in the electrical clutch application studied in particular. Following performance evaluations in different physics, suggestions of improvements have also been proposed.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Diplomová práce se zabývá topologickou optimalizací elektrických strojů a reluktančními synchronními stroji spouštěnými za sítě. Práce obsahuje literární rešerši na téma topologické optimalizace elektrických strojů a na téma synchronní reluktanční stroj spouštěný ze sítě. Jsou zde popsány možné způsoby charakterizace optimalizovaného prostoru. Především je rozebrán vliv rozmístění Gaussových funkcí na finální Gaussovu síť. V této práci je vytvořen vyhodnocovací algoritmus pro jednotlivé jedince, který zajišťuje komunikaci mezi Ansys Maxwell a optimalizačním softwarem SyMSpace. Navíc tento algoritmus vede ke zkrácení výpočetní doby počáteční selekcí nevyhovujících jedinců. Dále je provedena topologická optimalizace LSSynRM s využitím normalizované Gaussovy sítě a zhodnocení výsledků.

This theses is related to design of synchronous reluctance motors of the transverse-laminated type. The first part describes synchronous reluctance machine via space-vector theory. Furthermore this part briefly discuss the main design aspects of synchronous reluctance machines. The main part of this thesis is related to practical electromagnetic rotor design for synchronous reluctance machine by means of finite element method. On this base the rotor has been fabricated and placed inside of induction motor instead of his original rotor. On this prototype was made several measurements which were compared with results from finite element method analysis. The last part of this theses is related to short study of synchronous reluctance machine dynamical behaviour under scalar and vector control.

The master’s thesis introduces various types of electric motors. Overall, it is divided into 6 chapters, which the first deals with special type of electric motors, namely: permanent magnet DC motor with coreless winding, piezoelectric motor and three phase induction motor with solid rotor. For all of these motors are introduced principles, types, advantages, disadvantages and applications. The second part of thesis deals with perspective types of motors, namely: single phase induction motor and reluctance motor. For all of these motors are introduced principles, types, advantages, disadvantages and applications. The third chapter deals with analysis parameters of single phase induction motor. The analysis is performed on a borrowed motor from ATAS company by measurement and verification using simulation program Ansys Maxwell. The fourth part discusses the possibilities of increasing the effectiveness of borrowed electric motor. The following is chapter five, which deals with increasing the efficiency of the motor by changing metal sheets. Results are verified by simulations with Ansys Maxwell and measurements on sample of electric motor. The last part presents electric motor design with new selected electric sheets with lower specific losses, but also with lower magnetic induction.

La commande intermittente a pour but principal d'augmenter le rendement de l'ensemble machine-convertisseur par une réduction des pertes. Dans le but de maintenir le couple moyen de la machine requis par la charge, cette commande augmente le couple de référence et éteint quelques phases pendant chaque période électrique ou chaque période mécanique. Par ce fait, elle réduit les pertes du convertisseur et les pertes ferromagnétiques de la machine. Elle dispose également d'une liberté de sélection des phases activées qui influence des fréquences générées du courant, de la force radiale et du couple. Par conséquent, cette stratégie de la commande intermittente, qui est appelée le glissement, peut éviter l'excitation de fréquences naturelles du stator, ou bien celles de la chaine cinématique. Elle a pour but de réduire les effets négatifs de la commande intermittente vis-à-vis de comportements vibratoire du stator et pulsatoire de la chaine cinématique qui sont respectivement à l'origine du bruit acoustique et des à-coups mécaniques. En fin, la commande intermittente est validée sur des cycles de conduite et peut économiser jusqu’à 5,17 % de l’énergie électrique consommée. / The intermittent control aims to increase the efficiency of the machine-converter system by reducing the losses. In the purpose to maintain the average torque of the machine required by the load, this control increases the reference torque and turns off some phases during each electrical period or each mechanical period. By this fact, it reduces the converter losses and the ferromagnetic losses of the machine. It also has a freedom in the selection of the activated phases which influences the generated frequencies of the current, the radial force and the torque. Therefore, this strategy of the intermittent control, which is called sliding strategy, can avoid the excitation of the natural frequencies of the stator, or those of the drivetrain. It aims to reduce the negative effects of the intermittent control vis-à-vis the vibration of the stator and the pulsation of the drivetrain which are respectively at the origins of acoustic noise and mechanical jerks. Finally, the intermittent control is validated on driving cycles and can save up to 5.17 % of the consumed electrical energy.

De nos jours, les véhicules électriques et hybrides ont suscité un très grand intérêt en raison de préoccupations environnementales et énergétiques. Dans ces véhicules, les machines électriques utilisées sont des machines conventionnelles asynchrones et synchrones à aimants permanents. La machine à réluctance variable est une technologie candidate potentielle pour les chaînes de traction électriques et hybrides. Cette machine conçue sans aimants et redondante peut réunir la robustesse et le faible coût de la machine asynchrone aux bonnes performances de la machine synchrone à aimants permanents. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commandes robustes de la machine à réluctance variable par la prise en compte des contraintes des chaînes de traction électriques en vue de réaliser une étude comparative des performances. Dans cette étude, les commandes proposées sont les commandes classiques de type PI, les commandes par mode glissant et les commandes par mode glissant d'ordre supérieur. Le deuxième objectif consiste à développer des observateurs d'état pour la commande sans capteur de position mécanique de la machine à réluctance variable. Des observateurs robustes basés sur la théorie du filtre de Kalman étendu et les modes glissants sont synthétisés pour atteindre cet objectif. Enfin, le troisième objectif est de faire une analyse des défauts électriques de type circuit ouvert de l'étage électronique de puissance par l'approche signal afin de développer une méthodologie de détection et de localisation automatique de ces défauts. / Nowadays, electric and hybrid vehicles are gaining increased attention due to environmental and energy concerns. In these vehicles, the electrical machines used are the conventional machines, namely induction and permanent magnet synchronous machines. The switched reluctance machine is a potential candidate technology for electric and hybrid drivetrains. This machine designed without magnets and redundant windings, can combine the robustness and low cost of induction machines to the good performance of permanent magnet synchronous machines. In this context, the first objective of this thesis is to propose robust control strategies of the switched reluctance machine, taking into account the constraints of electric vehicles in order to make a comparative performance study. In this study, PI control, sliding mode control and higher order sliding mode control are proposed. The second objective is to develop state observers for sensorless control. Robust observers based on extended Kalman filter theory and sliding modes are synthesized to achieve this goal. Finally, the third objective is to make an analysis of electrical open-circuit faults of the electronic power stage using the signal approach in order to develop a methodology of automatic fault isolation.

This Master thesis focuses on the design of a high efficiency Permanent-Magnet-Assisted Synchronous Reluctance Motor (PMASynRM) intended for pump applications. The new motor is designed to replace an existing Induction Motor (IM) in a pump product. The basic principles of SynRM, and PMASynRM Motors and a good analytical model were introduced. Due to the complexity and high non-linearity of this specific electrical machine, Finite Element Method (FEM) and an analytical model were combined. First, a parameter sensitivity analysis was carried out with the software SPEED. However, SPEED does not give appropriate results for the sensitivity analysis of the distance from the shaft to the first barrier, and in this case, the FEM software FLUX was used instead. Using FEM as well, the risk of demagnetization of the magnets was controlled for the nominal current and for overload conditions. Furthermore, some conclusions were drawn in terms of the losses, and efficiency for the selected design. The design fulfills the required efficiency placing either ferrite or neodymium iron bore magnets in the rotor barriers. However, if ferrite magnets are employed, the maximum current should be controlled to avoid demagnetization. Finally, a ferrite PMASynRM prototype was built and tested in the lab. The simulation results as well as the measurement of other possible technologies including IM and Line Start Permanent Magnets (LSPM) machine were compared with the measurements of the prototype in terms of efficiency, power factor and cost. It is concluded that the designed PMASynRM is a good alternative as it surpassed the required efficiency and the results from the simulation were close to the test measurements. / Detta examensarbete fokuserar på konstruktion av en högverkningsgradmotor av typen Permanent-Magnet-Assisterad Synkronreluktansmotor (PMASynRM) avsedd för pumpapplikationer. Syftet är att asynkronmotorn i befintliga pumpar ska bytas ut mot den nya konstruktionen. På grund av maskinens komplexitet och dess höga olinjäritet kombinerades Finite Element Modelling metoden (FEM) och en analytisk metod. Till en början genomfördes en parameterberoende analys med SPEED för att komma fram till hur modellens olika parametrar påverkar maskinens prestanda. FEM beräkning gav mer pålitligt resultat för parameterstudie när det gällde avståndet från axeln till den första barriären (jämför med SPEED). Detta val hade fördelen att man även kunde studera avmagnetiseringsrisken vid märkström samt undersöka vid vilken ström magneterna faktiskt avmagnetiserades. Därutöver drogs slutsatser om verkningsgrad, prestanda och förluster. PMASynRM uppfyller önskad verkningsgrad med ferrit eller neodymmagneter. Om ferritmagneter används bör den maximala strömmen kontrolleras för att undvika avmagnetisering. Till slut byggdes och testades en PMASynRM prototyp. Resultaten från simulationen samt mätningarna av andra möjliga teknologier, som asynkronmotor och nätstartande permanentmagnetiserad motor (LSPM), jämfördes med mätningarna av prototypen med avseende på verkningsgrad, effektfaktor och kostnad. Slutsatsen är att PMASynRM är ett bra alternativ eftersom den överträffade den önskade verkningsgraden och eftersom resultaten från simulationen låg mycket nära testmätningarna.