O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.

In a synchronous machine, radial, tangential, and axial forces are generated. In this thesis, three different technologies to control them are proposed. The first one, involves the utilization of the radial forces that arise between the rotor and the stator. This is achieved by segmenting the rotor field winding into groups of poles and controlling their corresponding magnetization individually. This technology is particularly useful to achieve magnetic balance and to create controllable radial forces. The second technology, involves the control of the rotor field in order to influence the tangential forces that produce torque. This is achieved by inverting the rotor field winding polarity with respect to the stator field. With this technique, breaking and accelerating torques can be created. It is particularly useful to start a synchronous machine. Finally, the application of axial forces with a magnetic thrust bearing is discussed. The main benefits of this technology are higher efficiency and increased reliability. The work presented in this thesis was carried out within the Division of Electricity in the Department of Engineering Sciences at Uppsala University. It is based on original research supported by analytical calculations, computational simulations and extensive experimental work.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études des phénomènes électromagnétiques dansles régions frontales des grands turbo-générateurs. L’objectif de la thèse est d’estimer apriori le champ magnétique axial en fonction du point de fonctionnement afin d’éviterles possibles dégradations du circuit magnétique (dus aux points chauds et tensions entretôles, qui sont liés à la composante axiale du champ).Une maquette à échelle réelle a été spécialement conçue et réalisée dans le but d’améliorerla compréhension physique des phénomènes : les pertes, la pénétration du champ magnétiqueet les tensions entre tôles sont analysés.Les simulations par éléments finis sont ensuite utilisées : les avantages et inconvénientsseront discutés, ainsi qu’une comparaison critique des résultats par rapport aux mesuresexpérimentales sur la maquette. La région frontale d’un turbo-alternateur est aussi entièrementmodélisée.Enfin, un modèle simple du flux axial est développé. Ses coefficients sont déterminés àl’aide de simulations par éléments finis, mais il peut ensuite être utilisé en temps réel afind’estimer le flux axial correspondant à un point de fonctionnement quelconque. / This work aims to improve the knowledge of electromagnetic phenomena that occurin the end region of large turbo-generators. The goal of this work is to evaluate theaxial magnetic flux density with regard to the operating conditions (such as active orreactive power) in order to prevent potential deterioration of the stator. Indeed, the axialmagnetic field is known to induce hot points or voltages between laminations that maycause insulation breakdown and thus stator faults.An experimental apparatus in real scale has been designed and built. Its purpose is tostudy precisely the following phenomena: losses, axial magnetic flux density penetration,voltage across adjacent voltages.Finite element simulations (FEM) are also used: their advantages and drawbacks arediscussed, and the results are compared with the experimental measures. The wholeend-region of a turbo-generator is also simulated.Finally, a simple model of the axial magnetic flux is proposed. Its parameters are basedon the results of the FEM model, but it may be used in real time to evaluate the axialmagnetic flux density of any operating point.

This work is focused on using of modal analysis in power electrical engineering. The first part of the work explains the term of CAD systems and provides their basic classification. The next section of this thesis describes procedure for creating models in Autodesk Inventor 2012. There is shown creation sketching, 3D components, assemblies and possibility of presenting the models. Next part of this thesis describes the finite element method and the program ANSYS Workbench. In the next part of this thesis is shown sample of calculation of modal analysis in the program ANSYS Workbench. There is a description of modal analysis, synchronous machines, the process of calculating of modal analysis and evaluation of the results. The last section of this thesis describes creation of animation of the railway generator set in the program Inventor Studio.

Characteristics of synchronous machines with permanent magnets depend among others on geometric layout of the machine section. Unlike EC motors, where rectangular arrangement of quantities is suitable, these machines require sinusoidal behaviour. Specific forming of individual machine parts is partially derived from this requirement. This thesis deals with design of such machines, including various geometrical modifications of their sections and examination of influence of those modifications. The thesis includes also analytical calculation procedure of machine parameters as well as verification of final characteristics using the finite element method. It results in a combination of various design methods. FEMM, Maxwell RMxprt and Maxwell 2D Transient Analysis programs were used for verification. Individual modifications of machine geometries are applied to machines with concentrated windings with different ratio of number of slots and poles, and differences between machines and results of individual methods are compared.

In this paper, electrification of hydraulic systems is proposed using high-efficiency permanent magnet (PM) motors and wide bandgap power electronic drives. Direct driven hydraulics (DDH) is selected because of its higher efficiency compared to other conventional technologies such as valve-controlled systems. The DDH is directly driven by a servomotor. The ratings and design guidelines for a servomotor used in DDH applications are provided in this paper. Specifically, a surface permanent magnet synchronous machine (SPMSM) is designed. Finally, a state-of-the-art inverter using silicon carbide wide bandgap devices are designed for high performance operation.

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature. / High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough.

Energy efficiency in electric machines is both environmentally and economically important. Water pumps with an integrated Variable Frequency Drive (VFD) and a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) have challenged the status quo of the Induction Machine (IM) for water pumps. The Synchronous Reluctance Machine (SynRM) is also a viable alternative that does not use permanent magnets. This degree project focuses on the control of SynRM, with particular attention on sensorless control methods. Simulation models for a SynRM and a Surface Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM), together with their control systems, were developed in MATLAB Simulink. Two sensorless control methods were implemented and examined: the Luenberger state observer and the Model Reference Adaptive System (MRAS). The control system was adapted to use sensorless control methods. The investigated sensorless control methods allowed the application of the speed-torque test profile for two method and motor type combinations, without causing instability. The Luenberger observer was stable with the SPMSM and the MRAS with the SynRM. Parameter sensitivity with respect to the variation of inductance and stator resistance values used by the sensorless methods was also tested. The Luenberger observer kept the control system stable with up to a ±5 % variation of inductance. The MRAS kept the control system stable down to −12 %, but only up to +2 % for an overestimation of the inductance. The variation of stator resistance had a limited impact on the stability of both sensorless schemes. / Energieffektivisering av elektriska maskiner är betydelsefullt både ur ett miljömässigt och ekonomiskt perspektiv. Vattenpumpar med en synkron permanentmagnetsmaskin och en integrerad enhet för variabel hastighetsreglering (VFD) utmanar den mer konventionella lösningen baserad på en asynkronmaskin (IM). Den synkrona reluktansmaskinen (SynRM) är ett annat lämpligt alternativ som inte använder permanentmagneter. Det här examensarbetet behandlar huvudsakligen sensorlös reglering av SynRM. Simuleringsmodeller för reglering av en SynRM och en permanentmagnetiserad synkronmaskin med ytmonterade magneter (SPMSM) utvecklades i MATLAB Simulink. Två metoder för sensorlös reglering undersöktes, en på Luenbergers tillståndsobservatör och en baserad på adaptiv modellreferensreglering (MRAS). Systemet för reglering anpassades till metoderna för sensorlös reglering. De undersökta sensorlösa metoderna testades vid nominell hastighet med steg i vridmoment och hastighet. Luenberger observatören kunde köras med bibehållen stabilitet med en SPMSM och MRAS kördes med en SynRM, också den med bibehållen stabilitet. Även känsligheten för variationer i induktans och statorresistans för de sensorlösa reglermetoderna testades. Luenberger observatören kunde bibehålla stabiliteten med en variation i induktans på ±5 %. MRAS kunde bibehålla stabiliteten ner till en estimering av induktansen på −12 % av induktansen. På uppsidan nådde dock MRAS stabilitet endast upp till en överestimering av induktansen på 2 %. Felestimering av statorresistansen hade minimal påverkan på stabiliteten för båda sensorlösa reglermetoderna.

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale des pertes singulières dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique », où la maîtrise des pertes d’énergie est un enjeu absolument majeur. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.Par pertes singulières on entend toutes les pertes liées aux contraintes magnéto-mécano-thermiques liées d’une part à la mise en œuvre (découpe, assemblage contraint, isolation, traitement thermique...) des matériaux et d’autre part aux conditions réelles de fonctionnement (champ tournant, haute fréquence, saturations locales...) au sein des machines électriques (HV/HF), et qui sont très difficiles à estimer précisément de façon analytique ou via les dispositifs conventionnels de tests. Ces sollicitations influencent les caractéristiques de tôles qui peuvent s’éloigner significativement des données du fabricant (donc fausser le calcul des performances).Au début de cette thèse on s’est focalisé sur le montage d’un banc d’essai évolutif équipé de moyens de mesure directe du couple et d’une machine d’entraînement (8 ktr/min ; 42 kW) tarée par nos soins. Sur cette dernière une longue campagne d’essais a été menée pour isoler les différentes composantes de pertes, dont, par exemple, les pertes mécaniques (par frottement dans les roulements + aérodynamiques) qui ont été quantifiées via un rotor neutre. Les pertes dans les aimants sont indissociables des pertes fer, donc, elles ont été estimées par le biais d’une modélisation par éléments finis tridimensionnelle. Les pertes dans la frette de maintien sont nulles du fait qu’elle est isolante (thermo-rétractable). Le bobinage utilisé dans ce moteur est très particulier, à barres massives (remplissage de cuivre dans l’encoche jusqu’à 90%), développé dans notre laboratoire IES. Les pertes atypiques au sein de ce bobinage spécial ont été profondément abordées dans ces travaux (effet de refoulement de courants, pertes aux extrémités de la machine...).Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons exploré le fonctionnement des machines synchrones à aimants à haute fréquence afin d’accroître la densité de puissance de nos moteurs (pour franchir la barre de 2.5 kW/kg). Pour ce faire, après une étude détaillée, nous avons proposé en premier lieu un prototype avec des matériaux standard (stator FeCo Vacodur49 0.2mm, rotor FeSi, aimants NdFeB nuance N35EH, bobinage à barres cuivre) fonctionnant à 1666 Hz, tournant à 5000 tr/min, avec une densité de puissance de 4.5 kW/kg et un rendement de 94%. En second lieu, nous avons proposé un deuxième prototype de rendement plus faible (93%) mais qui a une densité de puissance proche de 6 kW/kg avec un rotor sans fer et un bobinage en Aluminium.Avant le montage final de ce prototype modulaire, nous avons effectué des mesures de pertes magnétiques, en conditions réelles de fonctionnement d’un moteur électrique, sur une multitude de tôles FeSi et FeCo (Vacodur49, NO20, M270-35A) avec la variation de différents procédés de fabrication: isolation (vernis thermo-collant « back-lack », vernis C5), découpe (laser, électroérosion) et traitement thermique. Pareillement, toutes les pertes mises en jeu ont été séparées (mécaniques, par courants induits dans les viroles...) pour pouvoir remonter aux pertes magnétiques et, donc, enfin, quantifier empiriquement le coefficient de majoration de pertes fer. / The main aim of this thesis was to study and experimentally assess the additional iron losses in the stator (electrical lamination steel) of high performance permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed for aircraft applications, in relation with the “more-electric-aircraft” project. This international program consists of gradually introducing electrical systems to replace onboard hydraulic and pneumatic systems, for example to power the landing gear wheels (Electric Green Taxiing System)…The extra iron losses are caused by manufacturing processes (cutting, sticking, insulation, stacking, pressing, shrink-fitting, thermal treatment …) and the real conditions of use of electrical motor (namely: rotational flux, saturation, high frequency…). Indeed, the mechanical and thermal stresses during the manufacturing steps can deteriorate the magnetic properties of the material and significantly increase the iron losses. These aspects are difficult to accurately evaluate by analytical models or standard measurements (Epstein frame…) and require experimental assessment to precisely calculate the motor efficiency.First of all, we started by developing a test bench equipped with drive motor: PMSM 8000 RPM ; 42 kW. For accurate assessment, the losses in this machine are separated on the test bench, for example, the mechanical losses (bearings loss & windage loss) have been measured at different speed with a non-magnetic rotor. Rotor magnets eddy-current losses cannot be isolated from iron losses, for this reason they have been calculated using a 3D finite element model. To limit rotor loss we then used a non-conductive retaining sleeve (heat shrink sleeve). In the winding, we used bar-wound conductors, which is an original winding technology developed in our laboratory, and whose advantage among others is the unusual copper fill factor that reaches almost 90%.Subsequently, we explored the high frequency machines (>1 kHz) in order to increase the power-to-weight ratio (cross the threshold of 2.5 kW/kg). We proposed, the following to the analytical and finite element study, a first conventional prototype with a power-to-weight ratio equal to 4.5 kW/kg with: FeCo stator (Vacodur49 0.2 mm), FeSi rotor and NdFeB magnets (N35EH), operated at 1666 Hz, 5000 RPM and 94% efficiency at full load. A second motor had been also proposed with both rotor and winding in aluminum, in this case the power-to-weight ratio reaches around 6 kW with, however, less efficiency (93%).Finally, this HF motor was tested, at no load, on the aforementioned test bench. The experiments were carried out on a multitude of FeCo and FeSi stator core samples coming from different manufacturing processes (insulation: bonding varnish and C-5 varnish; cutting: laser and EDM “Electrical Discharge Machining”; thermal treatment) in real operating conditions of a high frequency PM machine in order to experimentally obtain the famous “additional coefficient” of iron losses (Kadd).

Cette thèse porte sur la conception silencieuse par démarches inverses de machines synchrones à aimants permanents dotées de bobinages dentaires. Notre travail se focalise sur l’analyse des raies de forces radiales à l’origine du bruit magnétique. En premier lieu, un modèle direct électromagnétique, nous a permis de déterminer le spectre spatio-temporel de la force radiale dans l’entrefer. Ce dernier nous offre la possibilité d’obtenir pas à pas et de manière analytique l’induction radiale dans l’entrefer, résultat du produit de la force magnétomotrice totale et de la perméance d’entrefer globale. Plusieurs machines dotées d’un bobinage dentaire et distribué ont été évaluées, comparées à des simulations par éléments finis et corroborés par une analyse modale opérationnelle sur un prototype existant au laboratoire. Puis la démarche inverse de conception est abordée par le biais de deux outils « analytiques prédictifs » donnant les origines des ordres faibles spatio-temporels de la force radiale dans l’entrefer. Enfin, la résolution du problème inverse est conduite au moyen d’une boucle itérative d’optimisation donnant parmi un échantillon de solutions, une fonction de bobinage, visant à atténuer ou supprimer une raie potentiellement risquée en termes de nuisances acoustiques / This thesis deals the quiet design by inverses approaches of synchronous machines with permanent magnets concentrated windings. Our work focuses on the analysis of magnetic noise origin of air gap radial force orders. Firstly a direct electromagnetic model allowed us to determine the spatio-temporal spectrum of air gap radial pressure. The latter offers us the possibility of obtaining step by step and in an analytical way the radial induction in the gap, result of the product of the total magnetomotive force and global air gap permeance. Several machines equipped with a concentrated winding and distributed were evaluated, compared to simulations by finite elements and corroborated by an operational deflection shape on an existing prototype in the laboratory. In the second time two inverse approaches named predictive methodology identified the radial pressure low order origin. Finally, the resolution of the inverse problem is carried out by means of an iterative optimization loop giving among a sample of solutions, a winding function, aimed at attenuating or eliminating a potential risky line in terms of acoustic nuisances.