Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Systèmes de production et Robotique, Institut de microtechnique IMT (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Modélisation analytique multiphysique pour la conception optimale de moteurs synchrones à aimants permanents

Ragot, Patrick ; Perriard, Yves (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2008 ; no 4179.

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    Summary
    During the last years, permanent magnets synchronous motors have become a reference in the industrial world, both from the economical and the technical point of view, because of their very good performance in both regards. Thus, application of specific methodologies and algorithms during the design phase has become a must. In this thesis, the analytical modelling of permanent magnet synchronous motors for stator configurations with and without teeth is presented. Several physical aspects, such as magnetic, thermal and electrical phenomena, are taken into account. For the magnetic part, several models are presented which all have their own areas of application. Some of them take the magnetic saturation of the ferromagnetic parts into consideration. The simplified thermal model is based on an equivalent Kirchhoff circuit in which convection and radiation are included. Concerning the determination of the electrical characteristics of slotless machine configurations, the determination of the back-emf and of the inductances using the method of images are presented. Special emphasis has been placed that the tendencies of the variations of the modelled phenomena as they are observed with changes in other parameters or criteria are correctly represented. This is almost more significant that the accuracy of the model itself. The models are validated and improved by using finite element simulations. The mathematical expressions of the design problems are taken into account to allow the mathematical optimisation applied to converge towards the optimal solution without failure. Thereby, the objective is to avoid non-continuity of the functions and their first derivatives and to reduce the space where the functions are not mathematically defined. In the "Solar Impulse" project, which aims to realise an around-the-world flight with an airplane using only the solar radiation as energy source, a prototype is optimised and built. A prototype motor has been built and experimentally analysed, to be able to further validate and improve the analytical model used for the optimisation of the machine. The originalities of this thesis can be summarised as follows : modelling of the magnetic phenomena, with several specific models adapted for different configurations ; formulations of the physical phenomena adapted for the design phase ; comparison between analytical and finite element simulations in order to validate or/and improve the analytical models ; use of the method of images to determine the inductances in a slotless motor ; design optimisation by taking into account several physical phenomena where the free parameters are analysed globally ; design and manufacturing of a prototype for a concrete project which allows to completely validate the results of the optimisation and the analytical models.
    Résumé
    De par ses performances accrues, le moteur synchrone à aimants permanents est actuellement le moteur à succès dans un monde industriel où les exigences sont toujours plus élevées tant du point de vue économique que technique. Ainsi, dans une phase de conception, l'optimisation basée sur une méthodologie spécifique est devenue indispensable. Cette thèse présente la modélisation analytique d'un moteur synchrone à aimants permanents, pour des configurations avec et sans dents statoriques, en prenant en compte divers aspects de la physique comme les phénomènes magnétiques, thermiques et électriques. Concernant la partie magnétique, différents modèles sont présentés ayant chacun un domaine d'utilisation préférentiel, avec pour certains la prise en compte de la saturation magnétique des éléments ferromagnétiques. Le modèle thermique simplifié est basé sur un circuit équivalent en tenant compte des phénomènes de convection et de rayonnement. Concernant la partie électrique, elle présente, entre autres, le calcul de la tension induite de mouvement et la détermination des inductances par la méthode des images pour la configuration à bobinage dans l'entrefer. En vue de l'optimisation, un accent a été mis sur une tendance correcte des phénomènes modélisés, ce qui a autant voire plus d'importance que la précision du modèle. Les modèles sont validés et améliorés à l'aide des simulations numériques aux éléments finis. La modélisation est élaborée principalement pour la conception par une formulation mathématique des problèmes permettant l'optimisation sans échec au niveau de la convergence des algorithmes vers une solution optimale. Cette formulation est basée sur la réduction, d'une part, des non-continuités présentes dans les équations du modèle, ainsi que de leur première dérivée, et d'autre part, des zones mathématiquement non-définies. Dans le cadre du projet "Solar Impulse", qui consiste à réaliser le tour du monde avec un avion propulsé uniquement grâce à l'énergie solaire, un prototype moteur a été optimisé et construit. Les mesures expérimentales réalisées sur ce prototype ont permis de valider et d'améliorer le modèle analytique utilisé pour l'optimisation. Ainsi, les simulations par éléments finis et les mesures expérimentales, confrontées aux résultats analytiques, ont permis de valider entièrement la phase de conception. L'originalité de la thèse peut être résumée par les points suivants : modélisation magnétique à caractère générique avec différents modèles ayant chacun leur domaine de prédilection ; formulation des phénomènes physiques en vue du dimensionnement ; comparaison des modèles analytiques avec des simulations numériques afin de les valider et/ou de les améliorer ; utilisation de la méthode des images, afin de déterminer les inductances des bobinages dans l'entrefer ; optimisation prenant en compte différents domaines de la physique où les paramètres libres sont analysés globalement ; conception et fabrication d'un prototype lié à un projet et un cahier des charges concret et permettant de valider intégralement la phase d'optimisation et les modèles analytiques établis.