Although the design principles of the Switched Reluctance Machines (SRMs) are available in different fragments in numerous bibliography positions, there no exists the complex design procedure of whole drive system taking into account the SR Machine, control system and supply device as well. The hybrid design method for SRM drives with application of new analytical calculation methods, finite element method and simulation models is proposed in this thesis. The calculation/design system is characterised by important effectivity and reliability. The new possibilities in analytical determination of saturation effects and core losses under various modes of control, including sensorless method, are also taken into account. The correctness of the proposed design algorithms are verified by laboratory tests made on three motor prototypes manufactured in industry for concrete application. This dissertation provides the elements indispensable for more accurate and complex analysis and design of drives with switch reluctance motors. The elements of electrical motor and control system design as well as the considerations on the choice of supply device and controller subsystems are jointed in the thesis for final receiving of the design tool for considered industrial drive system.

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de structures de machines électriques non conventionnelles destinées à la production d’électricité par des groupes électrogènes. Les topologies recherchées doivent utiliser moins de matières actives et/ou simplifier la procédure de fabrication par rapport aux machines actuelles.Une des structures est dédiée au système d’excitation de la machine. Elle possède un stator à griffes avec un bobinage toroïdal. Son dimensionnement est réalisé à l’aide d’un modèle de calcul par éléments finis en 3D, qui a été validé expérimentalement. Cette structure permet d’obtenir une réduction significative de la quantité de cuivre dans le bobinage.Les deux autres structures traitées concernent l’alternateur principal. Une machine synchro-réluctante à barrières deflux et à rotor bobiné a été proposée. L’objectif est d’augmenter la densité de couple grâce au couple de saillance. Elle est dimensionnée et comparée avec la structure conventionnelle. Ce cas met en évidence les limitations des structures proches de la structure actuelle.La dernière structure est une nouvelle topologie de machine électrique. Elle combine les caractéristiques des machines à flux axial et des machines à griffes, permettant de simplifier le système d’excitation. Une approche de modélisation originale a été développée pour l’analyse de cette topologie 3D en vue de son dimensionnement par optimisation. Le système d’excitation a un rôle important dans les performances de cette machine.Cette thèse constate aussi que l’évolution future des matériaux magnétiques pourrait tirer meilleur profit des structures non-conventionnelles avec des trajets de flux tridimensionnels. / The PhD project aims to analyse nonconventional structures of electric machines for electric power generation with diesel gensets. The researched topologies should use less active materials and/or simplify the manufacturing process compared to today’s machines.One of the structures is intended for the excitation system of the electric machine. It is composed of a claw-pole stator and a toroidal winding. It is designed using a 3D Finite Element model, previously validated by a prototype. This structure allows a significant reduction of the quantity of copper of the field winding.The other two structures under study are proposed for the main generator. A synchronous-reluctance machine with flux-barriers and a field winding in the rotor is analysed. The objective is to increase the torque density by increasing the reluctance torque. The designed machine is compared to the conventional structure. This case shows the limitations of structures similar to the current structure.The last structure is a new topology of electric machine. It combines the characteristics of claw-pole machines andaxial-flux machines. An original modelling approach is developed to analyse this 3D structure for its design based on an optimization algorithm. The study shows that the excitation system has a key role in its performances.This work also notes that the future evolution of magnetic materials should benefit the use of non-conventional structures with 3D flux paths.

This master thesis aimed to design a permanent magnet assisted synchronous reluctancemachine (PMaSynRM) rotor for pump applications which were to be implemented inan existing Induction Machine stator. The machine were to be compared with a similarpermanent magnet synchronous machine (PMSM) with similar torque production in termsof cost and performance.This thesis goes through the theory of the Synchronous Reluctance Machine andthe Permanent Magnet assistance. A rotor was designed by utilizing existing design approachesand simulation of performance by use of finite element analysis. A demagnetizationstudy was conducted on the added permanent magnets in order to investigate thefeasiblity of the design.The final design of the PMaSynRM was thereafter compared to the equivalentsurface-mounted PMSM in terms of performance and cost. The performance parameterswas torque production, torque ripple, efficiency and power factor. Due to the lower torquedensity of the PMaSynRM, for equal torque production the PMSM had a 40% shorterlamination stack than the PMaSynRM.The economic evaluation resulted in that when utilizing ferrite magnets in the PMa-SynRM it became slightly cheaper than the PMSM, up to 20%. However, due to the fluctuatingprices of NdFeB magnets, there exist breakpoints below which the PMaSynRM isin fact more expensive than the PMSM or where the price reduction of the PMaSynRMis not worth the extra length of the motor. However, it was shown that the PMaSynRMis very insensitive to magnet price fluctuations and thereby proved to be a more securechoice than the PMSM / Detta examensarbete avsåg att designa en rotor till en permanentmagnetsassisteradsynkron reluktansmaskin (PMaSynRM) för pumpapplikationer, vilken skulle implementeras i en befintlig asynkronmaskin (IM) stator. Maskinen jämfördes ekonomiskt och prestandamässigt med en liknande synkronmaskin med permanentmagneter (PMSM) med jämförbar vridmomentsproduktion.Uppsatsen avhandlar teorin bakom synkrona reluktansmaskiner och konceptet kring permanentmagnetassistans. Rotorn designades genom användandet av befintliga designmetoder och simulering genom finit elementanalys (FEA). En avmagnetiseringsstudie utfördes på de adderade magneterna för att undersöka rimligheten kring designenDen slutgiltiga designen av PMaSynRMen jämfördes därefter mot den jämlika PMSMen i termer om prestanda och kostnad. De undersökta prestandaparameterarna var vridmoment, vridmomentsrippel, verkningsgrad och effektfaktor. Eftersom vridmomentsdensiteten i en PMaSynRM är lägre än hos en PMSM så visade sig PMSMen ha en 40% kortare lamineringskropp än PMaSynRMen vid jämnlik vridmomentsproduktion.Den ekonomiska utvärderingen resulterade i att vid användandet av ferritmagneter i PMaSynRMen så blev den något billigare än PMSMen, upp till 20%. På grund av fluktuerande priser hos NdFeB magneter, så finns det brytpunkter där PMaSynRMen faktiskt blir dyrare än PMSMen eller då kostnadsreduktionen för PMaSynRMen kan bedömas att vara för låg med tanke på den ökade längden och vridmomentsrippel. Däremot visades det att PMaSynRMen är väldigt okänslig för prisvariationer och därför visades vara ettkostnadsmässigt tryggare val än PMSMen

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This dissertation contains a comprehensive analysis of both non-coupled and mutually coupled switched reluctance motors with concentrated windings for an electric bicycle traction application. Multiple pole configurations are analyzed and compared for each motor type. Includes magnetic design, thermal analysis, and structural analysis. A prototype is designed, manufactured, and validated. / This thesis discusses the design of both a conventional non-coupled switched reluctance motor (CSRM) and a mutually-coupled SRM (MCSRM) for an exterior rotor e-bike application. Several novel pole configurations were analyzed for each machine type, and the performance of the final CSRM and MCSRM designs were compared for this application. A commercially available e-bike permanent magnet synchronous motor (PMSM) was purchased, reverse engineered, and validated to define the geometry constraints and performance targets for the designs. Since switched reluctance motors do not use rare-earth permanent magnets, they are often seen as a potential low-cost alternative to permanent magnet machines. The goal of this research is to explain the relative advantages of CSRMs and MCSRMs when compared to PMSM machines for a direct-drive e-bike application. The final CSRM and MCSRM designs are analyzed in detail; electromagnetic, controls, thermal, and structural considerations are all studied. A prototype of the final CSRM design was manufactured and validated experimentally, using a dynamometer setup. The finalized CSRM design is shown to be competitive with the PMSM machine when considering torque output, and is superior in terms of peak efficiency, and high speed torque performance. However, the CSRM noise output and torque ripple were not compared to the PMSM, and a less-common asymmetric-bridge converter is required for the CSRM, which may hinder the ability for the machine to be implemented into existing e-bike packages. The high speed torque performance of the MCSRM is shown to be inferior to both the CSRM and PMSM, as is the torque quality and efficiency. The MCSRM is shown to be highly resistant to saturation which gives it the potential for high torque output at low speed (if thermal limits are not breached), though low saturation levels also contribute to low machine power factor. The MCSRM may be better suited to lower speed, high torque applications, for this reason. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / This thesis studies the design process and analysis of two different motor types, for an electric bicycle application. They are designed to replace a commercially available permanent magnet synchronous motor (PMSM). This type of motor is typically expensive due to the rare-earth magnet material it requires. The two motors discussed in this thesis are switched reluctance motors (SRMs), which do not require magnet material, and thus have the potential to save cost (in addition to other benefits). One of the SRMs has magnetic fields that are independently controlled (CSRM), and one has fields that are controlled together to produce torque (MCSRM). The magnetics, control, thermal, and structural aspects of the CSRM and MCSRM are studied in detail. Novel geometry considerations (i.e. novel pole configurations) which impact the magnetics of each machine are compared to find the best-performing configuration for each machine type.

The development of an add-on sensorless position estimator for a 4.8 m Linear Switched Reluctance Machine (LSRM) with minimal modifications to the transducer-based controller is investigated for the first time in this study. LSRMs require position feedback for closed-loop control but present a low cost, high energy efficiency alternative for linear actuation due to their rugged construction and single-sided excitation. Mechanical position transducers mounted on the vehicle are expensive and can impact reliability. The use of a sensorless position estimator removes all electronics from the passive vehicle, resulting in considerable reductions in cost, maintenance, and mechanical complexity. This study examines the use of an add-on processor and data acquisition system for sensorless position estimation. An approach exploiting the active phase windings is used to preserve the normal operation of the transducer-based DSP controller with the goal of limiting reductions in high performance features such as force ripple reduction and velocity control [3]. The estimator system is retrofit to the transducer-based DSP controller by mimicking the output of a mechanical position sensor by emulating a Quadrature encoder. The feasibility and design issues for an add-on or retrofit position estimator are investigated. Although sensorless schemes for rotary Switched Reluctance Machines (SRMs) have been studied in detail, the problem of sensorless implementations for LSRMs has not been addressed. Experimental validation of the proposed sensorless estimation scheme is attempted, but closed-loop operation is not achieved successfully due to air gap fluctuations. In depth analysis of the sources and propagation of error is presented. / Master of Science

Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique. Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique. La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel. / This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design of two applications by imposing the constraint of using the same magnetic lamination. On one hand it is an application of fixed speed and on the other hand an application of electric traction. The optimization method used is a type of differential evolution optimization. The results of the optimizations realised determine the optimal designs or the optimal compromise with Pareto front which deal with both applications. Finally, this thesis has placed the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine among structures of machines with great industrial potential.

Pour certaines applications de positionnement dans les systèmes embarqués la puissance ou les couples mis jeu en peuvent être faibles. Les actionneurs utilisés pour ces applications sont équipés de machines pas à pas telles que les machines réluctance variable excitées ou non, ou encore des machines synchrones à aimants permanents. En aéronautique, ces actionneurs doivent être les plus compacts possibles et la continuité de service est exigée. La redondance partielle ou totale de l'actionneur est solution permettant d'assurer la continuité de service. Nous avons étudiés plusieurs structures de machines notamment les machines à deux voies d'enroulement pour leurs compacité telles les machines à reluctance variable à excitation homopolaire (MRVH-2C) et les machines synchrones à aimants permanent (MSAP-DE). Dans le but faciliter ou motiver le choix de l'une ou l'autre des structures, nous avons développé des modèles de machines capables de fournir des informations sur les grandeurs mesurables ou non, et sur le comportement des actionneurs. Ainsi à partir d'un calcul éléments finis 2D nous avons mis au point plusieurs modèles couplés EF 2D réseau de perméances de la MRVH-2C qui tiennent compte de l'état de saturation magnétique et du caractère tridimensionnel de cette machine. Ceux-ci ont été utilisés pour simuler le comportement de l'actionneur dans différents situations. Toujours pour une application de positionnement à faibles puissance et basse vitesse, nous avons dimensionné, modélisé et simulé une MSAP-DE commandée en boucle fermée et qui, de façon intrinsèque tolère le défaut de court-circuit triphasé grâce à sa résistance de phase qui est élevée / For certain applications of positioning in embedded systems power or torque needed can be low. Actuators used for these applications can be equipped with stepper machinery such as variable reluctance machines excited (or not) or permanent magnets synchronous machine. In aeronautic these actuators should be as compact as possible and continuity of service is required. Partial or total redundancy of the actuator can ensure the continuity of service. We have studied various structures of machines particularly double channel machines for their compactness such as two channels hybrid variable reluctance machines (2C-HVRM) and double channel permanent magnets synchronous machines (DC-PMSM). In the aim of facilitating or of justifying the choice of one or the other of these structures, we have developed models of able to provide information on measurable (or non measurable) features, and the behavior of the actuators. So from a 2D finite element calculation we have developed several coupled 2D FE permeances network models of a 2C-HVRM tacking account of the magnetic saturation state of this machine and its three-dimensional character. These models were used to simulate the behavior of the actuator in different situations. Always for positioning application with low power and low speed, we sized, modeled and simulated a DC-PMSM close loop controlled. That machine is intrinsically tolerant to phase short-circuit fault, thanks to its high phase resistance

Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique. Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique. La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel. / This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design of two applications by imposing the constraint of using the same magnetic lamination. On one hand it is an application of fixed speed and on the other hand an application of electric traction. The optimization method used is a type of differential evolution optimization. The results of the optimizations realised determine the optimal designs or the optimal compromise with Pareto front which deal with both applications. Finally, this thesis has placed the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine among structures of machines with great industrial potential.

L'objectif principal de nos travaux consiste à développer des méthodes d’optimisation des performances de la MSRV sur le plan de la conception et de la commande. La première partie est consacrée à la commande de la MSRV avec prise en compte de la saturation, de l'effet croisé et des pertes-fer. Deux stratégies de commande permettant d’améliorer les performances de la machine en régime permanent sont présentées: commande à rendement optimal et commande à couple maximum par ampère. La deuxième partie de ce travail porte sur la commande de la MSRV en vue de réduire les ondulations de couple. L’optimisation des courants statoriques a été obtenue selon deux critères : un couple électromagnétique constant et des pertes par effet Joule minimales. Une formule originale a été présentée dans le cas où le courant homopolaire est pris en compte. Des schémas de commande neuronale en couple et en vitesse sont ensuite proposés. L’apprentissage, réalisé en ligne, fait que cette proposition est tout à fait adaptée aux applications en temps réel. La troisième partie traite de la conception au moyen de la méthode de calcul numérique par élément finis. Grâce au logiciel JMAG, les barrières du flux au rotor de la MSRV ont été optimisées permettant d’augmenter le couple moyen, le facteur de puissance et le rendement de la machine. Enfin, toutes les approches neuromimétiques ont été validées par de tests expérimentaux. De plus, des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent la validité des méthodes proposées. / The main objective of our work is to develop the methods for performance optimization of the SynRM in terms of the design and control. The first part is devoted to control of the SynRM taking into account the saturation, cross coupling and iron losses. Two strategies control to improve the performances of the machine in steady-state are presented: optimal efficiency control and maximum torque per ampere control. The second part of this work focuses on the control of the non-sinusoidal SynRM to reduce torque ripple. Optimal stator currents were obtained with the objectives: a constant electromagnetic torque and minimum ohmic losses. An original formula was presented in the case where the homopolar current is considered. The torque and speed control based on artificial neural networks are then proposed to obtain optimal currents online in real time. The third part deals with the design optimization of SynRM by finite element method. With JMAG software, the barriers of the rotor SynRM were optimized to maximize the average torque, power factor and efficiency of the machine. Finally, all the approaches based on neural networks have been validated by experimental tests. Moreover, the comparisons with conventional methods demonstrate the validity of the proposed methods.