L’enjeu de la thèse concerne la modélisation électromagnétique des machines synchrones à réluctance, avec comme objectif final : obtenir un modèle suffisamment précis et rapide pour, d’une part, être capable de calculer les ondulations de couple et d’autre part servir pour de l’optimisation dimensionnelle et pouvoir être couplé à un logiciel de type circuit pour tester une loi de commande. Un modèle du type schéma réluctant a été mis en place petit à petit avec validations à chaque étape. La modélisation des échanges dans l’entrefer utilise en final une fonction originale (intégrale de Fermi-Dirac) qui a entièrement été paramétrée avec les dimensions caractéristiques de la machine.Ce modèle de la machine, piloté par les courant, a ensuite été couplé avec un circuit électrique grâce à une interface de transformation tension-courant. Les optimisations réalisées avec ce modèle ont permis de mettre en évidence certains manques dans les contraintes dimensionnelles initiales et, celles-ci corrigées, de montrer que ce modèle était parfaitement utilisable pour cette démarche d’optimisation. / This thesis aims the electromagnetic modeling of synchronous reluctance machines, with a final goal: to obtain a fast and sufficiently accurate model, able to calculate the torque ripple and to be used for optimal machine design and also capable to be coupled to circuit software to test control techniques.A MEC (magnetic equivalent circuit) model was created step-by-step and validated at each step. Final model of the air-gap is based on a function (Fermi-Dirac integral), which has been completely parameterized by machine dimensions. This model of the machine is driven by current; afterwards it was coupled with an electric circuit thanks to a voltage-current transformation interface. The optimizations made with the model allowed to highlight some deficiencies in the initial dimensional constraints. After corrections the model could be efficiently used in an optimization process.

This diploma thesis deals with design of rotor of synchronous reluctance machines. There is a theoretical description of rotor geometry of synchronous reluctance machine that respects natural flow of magnetic flux inside complete rotor. The parametric model of rotor is made with usage of ANSYS Maxwell and Matlab software. Furthermore, the parameters of the machines are confirmed using the same program. Finally, changes of motor parameters are observed in connection with different rotor geometries.

In diesem Beitrag wird gezeigt, welche Auswirkung die Rotorform einer Reluktanzmaschine und die Ansteuerung mittels Umrichter auf den Verlusthaushalt der Maschine hat. Darüber hinaus werden die Möglichkeiten zur Verluststeuerung, welche sich durch den Betrieb von Reluktanzmaschinen ergeben, vorgestellt. / This paper shows the effect of the rotor shape of a reluctance machine and the converter control on the losses of the machine. In addition, it will be shown which possibilities for loss control will result from the operation of reluctance machines.

Cette thèse porte sur l’optimisation du contrôle des Machines Synchrones à Réluctance Variable (MSRV) et en particulier sur la compensation des phénomènes vibratoires. Elle comprend trois points forts : le développement d’une méthode de minimisation des pulsations de couple et sa validation expérimentale, l’études des facteurs qui peuvent influencer la méthode et l’influence de cette méthode sur les autres performances de la MSRV.Tout d’abord, une méthode de contrôle permettant de compenser les ondulations de couple d’une MSRV existante a été développée. Premièrement, une équation analytique du couple est proposée et analysée afin d’exprimer la relation analytique harmonique entre le couple et les courants d’alimentation. La notion de « fonction de couple » est ensuite introduite. Une stratégie basée sur l’utilisation de cette fonction pour minimiser les ondulations du couple est présentée. Deux méthodes de réduction des ondulations de couple utilisant les différents harmoniques de la fonction de couple sont mises en évidence en. Elles ont été analysées et comparées pour répondre aux différents objectifs. Par la suite, la méthode a été validée par les résultats des simulations pour trois technologies de rotor de MSRV parmi les plus répandues. La méthode est aussi validée par la modélisation analytique et la simulation dynamique à l’aide du logiciel Matlab/Simulink ainsi que par les résultats d’expérimentation avec l’aide du banc d’essai.Ensuite, les facteurs qui peuvent influencer la méthode proposée pour réduire les ondulations de couple et les performances dynamiques ont analysés. Dans un premier temps, une amélioration sensible de l’aptitude au démarrage de la MSRV lorsque la compensation des ondulations de couple est mise en œuvre est mise en évidence. D’autre part la sensibilité de la méthode aux erreurs de mesure de position est évaluée afin de quantifier sa fiabilité dans le cas de l’utilisation d’estimateurs lors du contrôle sans capteur. Enfin, l’influence de la saturation sur la méthode proposée est aussi étudiée à l’aide d’une analyse par éléments finis du comportement magnétique de la MSRV.Finalement, l’influence de la méthode de compensation des ondulations de couple sur d’autres performances de la MSRV est analysée. Les courants optimaux ont plus harmoniques que les courants originaux. Par conséquent, les pertes dans le cuivre, dans le fer et dans les semi-conducteurs de l’onduleur sont modélisées analytiquement, calculées et comparées. Les conclusions montrent que les pertes dans le cuivre sont les plus sensibles à la compensation des harmoniques de couple tandis que les pertes dans le fer et dans l’onduleur sont faiblement affectées. D’autre part, la réduction des ondulations de couple peut changer le comportement vibro-acoustique de la MSRV. La dernière partie est consacrée à l’étude de la relation entre les ondulations de couple et le bruit. Une équation est proposée pour évaluer la variation du bruit produit par la compensation des ondulations de couple. Dans cette partie, les simulations dans Flux 2D sont effectuées pour calculer la variation du bruit. En outre, le logiciel professionnel Manatee réalisant l’analyse des vibrations et de l’acoustique est utilisé dans le but de conforter les résultats obtenus par la modélisation analytique. / This thesis aims to study the control and optimization of a synchronous reluctance machine for the purpose of improving the vibrational performance. The main works of the thesis can be classified into three parts: the proposed torque ripple reduction method, the factors which can influence the proposed method and the influence of the proposed method.At first, the torque ripple of synchronous reluctance machine is reduced by a control method. Firstly, a torque equation is proposed in order to present the relationship between torque ripple and the optimal currents. Then a new parameter, torque function, is put forward. Based on the torque function, the torque ripple reduction strategy is presented. Two different torque ripple minimizations are proposed by applying different torque function harmonics. They are analyzed and compared in order to define the optimal method. In order to test the proposed method further, the selected torque ripple minimization approach is applied to three SynRMs. The results of finite element simulations imply that the proposed method is effective to decrease the torque ripples of these three SynRMs. The proposed torque ripple reduction method is verified according to the models built in MATLAB/Simulink and the experiment results respectively.Then the factors which could influence the proposed torque ripple reduction method are analyzed. Firstly, torque function is a function of rotor position, current angle and saturation. Based on the model in Simulink, the influence of different starting position on the performance of the studied SynSR is analyzed. Besides, the estimated position errors produced by senserless control could also affect the toque ripple minimization by changing torque function. At last, the influence of saturation on the proposed torque ripple reduction method is introduced because the amplitudes of the optimal currents are increased.In addition, the influence of torque ripple reduction on the other perfomances of SynRM is analyzed. The optimal currents have more harmonics than the original sinusoidal currents. So three losses (copper losses, iron losses and inverter losses) are modeled, calculated, analyzed and compared. According to the results, the copper losses are the most sensible losses. The iron losses and the inverter losses are a little increased and the increased parts can be neglected. Besides, reducing torque ripple by adding stator currents could influence the vibro-acoustic of the studied SynRM. Thus this section aims to explain the relationship between torque ripple reduction and acoustic noise. An analytical equation is proposed in order to evaluate the variation of noise produced by torque ripple reduction. Simulations in Flux 2D have been performed in order to calculate the variation of noise resulted by torque ripple reduction. At last, the software Manatee which is professional in studying the vibration and noise is applied for the purpose of comparing the results with those of the finite element analysis.

This thesis deals withmodeling and control of an electric drive equipped with a permanentmagnet assisted synchronous reluctance (PMSynRel) machine for a plug-in hybrid electric vehicle application. In the first part of the thesis, a special use of the PMSynRel machine in consideration, known as an integrated charger concept, is investigated. The integrated charger feature allows using the PMSynRel machine as a part of the vehicle’s on-board charging system when charging the battery from the grid. A finite-element based analysis is performed providing important insights into the machine operation during the charging process. Dynamic models are developed that facilitate the controller development and the estimation of the efficiency during charging. In the second part of the thesis, position sensorless control of the PMSynRel drive when applied in an automotive application is considered and analyzed thoroughly. First, a fundamental-excitation based rotor-position estimation technique is investigated. The study shows that the impact of current dynamics on the resulting torque dynamics has to be considered in some very demanding applications. Second, focus is put on signalinjection based sensorless control methods. Impacts of nonlinearities, such as magnetic saturation, cross-saturation and inductance spatial harmonics, on sensorless control performance are investigated and methods to improve the sensorless control quality are summarized and presented. An approach to determine the feasible region for operating sensorless at low-speeds without directly measuring the differential inductances is proposed. For the PMSynRel drive in consideration, the achievable maximum torque is limited when operating sensorless following the maximum-torque-per-ampere (MTPA) current reference trajectory at low-speeds. An optimization approach is therefore proposed which extends the output torque when operating sensorless while still maintaining a relatively high efficiency. To initialize the sensorless control correctly from standstill, the impact of the saturated magnetic bridges in the rotor is also investigated. Finally, torsional drive-train oscillations and active damping schemes are considered. An off-vehicle setup for implementing and evaluating different active damping schemes is proposed. Of particular interest for sensorless operation in automotive applications, the impact of slow speed estimation on the possibility to achieve good active damping control is investigated and a design approach that allows the implementation of an active damping scheme using estimated speed is suggested. / <p>QC 20140114</p>

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.

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.

Permanent magnets synchronous reluctance (PMSynRel) motors are attractive due to their high torque density and because a lower quantity of permanent magnets is necessary in comparison with other permanent magnet machines. This thesis deals with the analysis of PMSynRel machines using a finite element method (FEM) and reluctance networks. First, a PMSynRel machine model is built in order to carry out simulations using a finite element method package. The effect of different design parameters such as the combination of the number of poles and slots, the number of flux barriers or the number of magnets can be studied since the implementation provides the possibility to change those variables. Next, a reluctance networks model, aimed to enable lower computation times than corresponding finite element models, is implemented for analysing the flux density distributions along the air gap of the machine disregarding the magnetic influence of the rotor. Finally, the results are compared with FEM simulations. It is concluded that the agreement reached is satisfactory in most of the cases analysed.

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