Dopées par un intérêt croissant des industries telles que l’automobile, les technologies demotorisation100% électriques équipent de plus en plus de véhicules à la portée du grand public. Endépit d’une opinion commune favorable sur les faibles émissions sonores des moteurs électriques,la maîtrise des performances vibratoires et acoustiques d’une telle machine reste un challenge trèscoûteux à relever. Associant l’expertise de l’entreprise Vibrate cet du département MécaniqueAppliquée de l’institut Femto-ST, cette thèse CIFRE vise à améliorer les connaissances actuellessur le comportement mécanique de machines électriques. De nouvelles méthodes de modélisationpar éléments finis sont proposées à partir d’approches d’homogénéisation,analyses expérimentales,recalage de modèles et études de variabilité en température et en fréquence,pour permettre uneprédiction plus performante du comportement vibratoire d’un moteur électrique / Boosted by the increasing interest of industries such as automotive,100% electric engine technologies power more and more affordable vehicles for the general public.Inspite of a rather favourable common opinion about the low noisee mitted by electric motors, controlling the vibratory and acoustic performances of such machines remains a very costly challenge to take up. Associating the expertise of the company Vibratec and the institute Femto-ST Applied Mechanics Department, this industry-orientedPh.D.thesisaimsatimprovingthecurrentknowledgeaboutthe mechanicalbehaviour ofelectric machines. New finite-element modelling method sare proposedf rom homogenisation approaches,experimental analyses, model up dating procedures and variability studies in temperature and frequency, in order to predict the behaviour of an electric motor more efficiently

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.

This work deals with the option of substitute aluminum for copper as winding material in induction motor in several variants and compare them. The advantages and disadvantages of these materials for the application are mentioned. The default element is the machine with power 29 kW, 2p = 4, which is the basis for other variants. It is about the verification of the default copper wire machine with cataloging data and then verification of several aluminum wire variants of the machine. Veryfying the machine designs is performed on the basis of three programs - RMxprt, ANSYS Maxwell and Matlab. In all of these programs, the machine calculations were realized for copper and aluminum winding in point close to the nominal. Final results are evaluated. There are also heat and ventilation calculations of the machine.

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

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This research proposes state-of-the-art multilevel converter topologies and their modulation strategies, the implementation of a conventional flying-capacitor converter topology up to four-level, and a new four-level flying-capacitor H-Bridge converter confi guration. The three phase version of this proposed four-level flying-capacitor H-Bridge converter is given as well in this study. The highlighted advantages of the proposed converter are as following: (1) the same blocking voltage for all switches employed in the con figuration, (2) no capacitor midpoint connection is needed, (3) reduced number of passive elements as compared to the conventional solution, (4) reduced total dc source value by comparison with the conventional topology. The proposed four-level capacitor-clamped H-Bridge converter can be utilized as a multilevel inverter application in an electri fied railway system, or in hybrid electric vehicles. In addition to the implementation of the proposed topology in this research, its experimental setup has been designed to validate the simulation results of the given converter topologies.