The flux-weakening control (FWC) methods for interior permanent magnet synchronous motors (IPMSMs) with torque performance improvement are studied in this thesis. A FWC strategy with constant parameters is proposed, which achieves the extended dc-link voltage utilization and improves the tracking performance. The voltage trajectory is extended to the overmodulation region to increase the dc-link voltage utilization rate and torque. Moreover, a current predictive controller is implemented to improve tracking performance. A FWC method considering the resistive voltage drop and magnetic saturation is proposed. The proposed method achieves the voltage extension, torque improvement, and improved dynamic performance by establishing a new stator flux linkage adjustment method. The stator flux linkage reference is adjusted based on the torque reference, operating speed, and modulation index. Two voltage feedback paths are established and chosen based on the torque reference and operating speed. The stator resistance and nonlinear inductance characteristics are constructed based on the experimental test. Thus, accurate current control is achieved. Compared to feedforward-based FWC methods, the proposed method improves the output torque and power. Compared to feedback-based FWC methods, the proposed method improves the dynamic performance and avoids the voltage saturation and windup problem. Compared to the mixed FWC methods, which only have one feedback path, the proposed method improves the dynamic performance. The influence of extended dc-link voltage utilization is analyzed. The nonlinear relationship between voltage and torque is solved mathematically. The torque, torque ripple, and current ripple trends with modulation index in voltage extension region are analyzed, and the harmonic spectra of voltage, current, and torque with or without voltage extension are compared, which provide the guidance to make the tradeoff between maximizing the torque and torque ripple alleviation. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The design of this thesis intends to present that 120¢X Communication and Flux-Weakening Control techniques can be successfully applied to a Digital Signal Processor (DSP) together with the hardware structure of an inverter. Experimental results are shown that utilizing IPM Motor as Drive Motor of Electric Vehicle, 120¢X Communication techniques can reduce ripple torque and maintain the stability of output torque. Furthermore, through Phase advanced control motor, it enables a higher output torque during the mid-lower speed. Using Flux-Weakening Control helps motor from higher output speed to the highest output speed. Moreover, the security of motor driver can be enhanced by designing circuit, which prevents over voltage. The function of motor driver will be better due to the decreased hardware size and increased accuracy that are the advantage of writing DSP scripts to analyze rotor speed.

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La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété de d'offrir, dans le cadre applicatif de l'automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d'un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d'une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d'autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l'onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d'annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d'accroître les performances de l'ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d'une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique. / For an automotive application, a six leg-VSI connected to a three-phase open-end winding machine has the ability to offer a dual-function. In this case, an additional zero-sequence component, usually absent when a star-coupling is used, needs to be controlled. Firstly, a study, modeling and control of a multi-leg inverter are proposed. Secondly, control structures capable of handling the presence of zero-sequence components are investigated. The conventional control algorithms applied to the inverter are analyzed and an original vector control strategy, called Z-SVM, capable to cancel the high frequency zero-sequence current is developed. Finally, it is shown how the management of the zero-sequence components enhances the performance of the drive at low as well as at high-speed, corresponding on the areas of the torque-speed characteristics before and after flux weakening. The proposed solutions are validated on an experimental test bench consisting of a machine prototype especially developed for automotive application and powered by a six-leg inverter controlled by an FPGA-based device. The proposed strategies are compared in terms of performance and computational complexity.

L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype. / The aim of this thesis is to design an electrical machine dedicated for Mild-Hybrid applications. By providing certain functionalities, this machine can reduce fuel consumption in the vehicle and therefore reduce the amount of released gases. The challenges imposed by such application on both torque and power lead us to study the multiphase PM machines with concentrated windings. This windings technology provides efficient machines which are easy to manufacture, repair and recycle, but accompanied with a certain level of parasitic effects. In order to find a compromise between these effects and the ability to provide torque, the thesis concerns the study of winding topologies with different Slots/Poles combinations. An analytical model constituting a tool to compare magnet losses between various combinations is developed. Many configurations are compared in order to make the most appropriate choice which minimizes parasitic effects. The rotor topologies that allow the machine to provide a wide speed range are examined, taking into account their role in magnets protection against MMF harmful harmonics. Finally, the exploitation of freedom degree offered by a 5-phases structure is discussed, showing that the torque can be significantly boosted by modifying the rotor structure. The consistency of all analytical studies presented in the thesis is corroborated by finite element models and a prototype measurement.

Dans ce travail nous cherchons à développer des algorithmes de commande adaptés au fonctionnement à haute vitesse d’une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) et de son onduleur en optimisant l’efficacité énergétique de l’ensemble. Bien que la vocation soit très large, le domaine de la traction électrique est priorisé. Les MSAP tournant à haute vitesse sont de plus en plus utilisées dans les véhicules électriques en raison de leur forte densité de puissance. La haute vitesse implique une force électromotrice élevée et requiert la réduction du flux (défluxage) dans l’entrefer. Lors d’un fonctionnement de la machine en régime défluxé, si la contribution de l’aimant peut-être totalement compensée alors nous pouvons utiliser une stratégie Maximum Torque Per Volt (MTPV) pour générer les consignes de courant qui respectent les limites électriques théoriques quelle que soit la vitesse de rotation de la machine. En l’absence de boucle de vitesse, le couple de référence doit être limité aux points de fonctionnement atteignables, calculés en fonction des limites de courant (limites onduleur et machine), tension (batterie) et puissance (batterie et partie mécanique). Nous proposons ainsi dans cette thèse de calculer les références de courant avec une stratégie MTPA (Maximum Torque Per Ampere) à basse vitesse et d’utiliser un algorithme de défluxage basé sur une régulation de la norme de la tension associée à une stratégie MTPV à haute vitesse sans commutation d’algorithme mais par une action continue sur la valeur de la saturation de courant. Concernant la boucle de courant nous réalisons une commande numérique dans le repère d-q qui tient compte de la discrétisation, du retard (dû au temps de calcul), et du fort couplage inter-axes à haute vitesse sous des critères de précision, stabilité et rapidité. Nous étudions les stratégies de découplage minimal et de découplage discret avec prédiction de la variation du courant. Les approches par régulateurs avec structure RST et par commande prédictive-optimale sont développées. Une prédiction de la position réelle du rotor est incluse afin de conserver la stabilité à haute vitesse. Finalement nous réalisons une maquette avec une MSAP à échelle réduite sur laquelle nous testons ces stratégies de commande. Nous validons par expérience que l’algorithme proposé dans la thèse est capable de piloter la machine à haute vitesse en respectant les limites électriques et nous vérifions qu’il améliore les performances (couple, vitesse maximale, pertes) obtenues à haute vitesse. / In this work we search to develop control algorithms adapted to the high speed operation of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and its inverter by optimizing the energy efficiency of the set. Although the vocation is very broad, the field of electric traction is prioritized. High speed PMSMs are increasingly used in electrical vehicles because of their high power density. The high speed implies a high electromotive force and requires the reduction of the flux (fluxweakening) in the air gap. When the motor is running in flux-weakening mode, if the contribution of the magnet can be fully compensated then we can use a Maximum Torque Per Volt (MPTV) strategy to generate the current references that meet the theoretical limits regardless of the machine rotation speed. In the absence of a speed loop the reference torque must be limited to the achievable operating points, calculated according to the current limits (inverter and machine limits), voltage (battery) and power (battery and mechanical part). We propose in this thesis to calculate the current reference with Maximum Torque Per Ampere (MTPA) strategy at low speed and to use a flux-weakening algorithm based on a regulation of the voltage norm associated with a MTPV strategy at high speed without switching algorithms but by a continuous action on the value of the current saturation. Concerning the current loop, we carry out a numerical control in the d-q frame which takes into account the discretization, the delay (due to the computation time), and the high inter-axis coupling at high speed under criteria of precision, stability and speed. We study the strategies of minimal decoupling and discrete decoupling with prediction of the variation of the current. The approaches by regulators with RST structure and predictive-optimal control are developed. A prediction of the actual rotor position is included to maintain the stability at high speed. Finally a real model with a reduced scale PMSM is realized on which these control strategies are tested. We validate by experiment that the algorithm proposed in the thesis is able to control the machine at high speed respecting the electrical limits and verify that it improves the performances (torque, maximum speed, losses) obtained at high speed.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé. / This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In thisstep we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we canconclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, the volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good.

The growing need for simpler and cheaper manufacturing process has led to the research into fractional-slot concentrated-wound (FSCW) motors. This concept has been widely investigated for surface-mounted permanent magnet (SMPM) machines. This thesis studies the same concept applied for synchronous reluctance machines (SynRM). In this thesis, a FSCW, 15 kW, 4-pole, Permanent-Magnet-Assisted Synchronous Reluctance Machine (PMaSynRM) is designed and optimized using finite element method (FEM) based simulations for a set of given technical specifications. Initially, the existing synchronous machine topologies are investigated and later two novel motor designs are introduced and optimized, namely, a FSCW-SynRM and a FSCW-PMaSynRM with ferrite magnets. Moreover, the influence of replacing ferrite material with Neodymium Iron Boron (NdFeB) in the FSCWPMaSynRM is analyzed. Detailed investigations are performed in order to compare the impact of material at different temperatures. Variation of the torque-speed capabilities with temperature and a safe operating temperature range where the magnets are not demagnetized are identified. The variation of overload capability with temperature is also studied. Finally, a comparison between the new proposed designs and other existing standard design topologies is performed. It was found that FSCW-SynRM present lower efficiency, power factor and higher torque ripple than DW-SynRM. However when ferrite magnets are inserted in FSCW-PMaSynRM the efficiency, power factor and the flux-weakening capability exceed the values of the DW-SynRM. Moreover, by using NdFeB instead of ferrite in FSCW-PMaSynRM, the torque ripple, the fluxweakening capability and the overload capability improve and a wider safe temperature range for no demagnetization is achievable. Finally, it is found that DW-PMaSynRM with ferrite presents the same efficiency level as FSCW-PMaSynRM with ferrite, but higher power factor and lower torque ripple. However FSCW-PMaSynRM with ferrite have other advantages, such as shorter end-winding length, good fault-tolerant capability and simpler and cheaper manufacturing process. / Det växande behovet av enklare och billigare tillverkningsprocesser har lett till att den senaste forskningen om elektriska maskiner har fokuserats till maskiner med koncentrerade lindningar (FSCW). Detta koncept har i stor utsträckning undersökts för synkronmaskiner med ytmonterade permanentmagneter (SMPM). Detta projekt studerar samma lindning koncept, tillämpat på synkrona reluktansmaskiner (SynRM). I denna avhandling är en 15 kW, 4-polig, SynRM med FSCW och permanentmagneter (PMaSynRM) utformad och optimerad med användandet av finita elementmetoden (FEM). Simuleringar för en uppsättning givna, tekniska specifikationer har genomförts. Inledningsvis undersöks den befintliga synkronreluktansmaskinen med distribuerad lindning och senare presenteras och optimeras två nya motorkonstruktioner: en FSCW-SynRM respektive en FSCW-PMaSynRM med ferritmagneter. Vidare analyseras påverkan av att ersätta ferritmaterial med neodym-järn-bor (NdFeB) i FSCW-PMaSynRM. Detaljerade undersökningar genomförs för att jämföra effekten av materialen vid olika temperaturer. Variationen av maximal vridmomentet som funktion av hastighet vid olika temperaturer identifierar ett säkert driftstemperaturintervall där magneterna inte avmagnetiseras. Även variationen i överbelastningskapacitet vid olika temperaturer studeras. Slutligen görs en jämförelse mellan den nya föreslagna designen och andra befintliga topologier. Resultaten visar att FSCW-SynRM har lägre effektivitet och effektfaktor, samt högre vridmomentsrippel än DW-SynRM. När ferritmagneter är införda i FSCW-PMaSynRM erhålls emellertid högre värden på effektivitet, effektfaktor och fältförsvagning än i DW-SynRM. Genom att använda NdFeB i stället för ferrit i FSCW-PMaSynRM förbättras dessutom vridmomentet, fältförsvagningskapaciteten och överbelastningskapaciteten, vilket ger ett bredare temperaturområde utan avmagnetisering. Slutligen visar DW-PMaSynRM med ferrit samma effektivitetsnivå som FSCW-PMaSynRM med ferrit, men med högre effektfaktor och lägre vridmomentsrippel. FSCW-PMaSynRM med ferrit har dock andra fördelar, såsom kortare härvänderna, god feltolerans samt enklare och billigare tillverkningsprocess.

L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien. / The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines.