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

Comparative study and selection criteria of linear motors

Chevailler, Samuel ; Jufer, Marcel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3569.

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    Summary
    Initially, linear motors have been particularly dedicated to transportation systems. Nowadays, linear motors are meant to replace a system using a rotating motor and a transmission to realize a linear movement. With linear motors the performances increase considerably since the mechanical limitations are removed. This leads to a better precision, a higher acceleration and a higher speed of the moving part. Therefore, direct drives with linear motors are increasingly used in industrial applications although these solutions need often more investment costs. Different linear motor structures and technologies exist. They can be either induction or synchronous motors with a transverse or a longitudinal flux. Furthermore, linear motors may have several topologies. They can be either long or short stator and double or single sided. All these variants may be combined giving therefore numerous possibilities to perform a linear movement. Hence, to make the best choice for a given application, a global methodology based on the comparison of optimized motors is presented in the thesis. This design methodology is based on figure of merits which are bound to the specifications of the studied application. This method differs from a conventional one since optimized motors with the same objective function are compared. The optimized motors are obtained by an indirect method based on an optimization algorithm (Sequential Quadratic Programming, SQP). An indirect approach differs from the conventional deterministic one for which at least one parameter must be fixed to obtain a motor pre design, since there are constraints and validity domain which are introduced. The proposed methodology can be applied either to rotating or to linear motor design. The use of an optimization program to perform motor designs requires analytical motor models. The models developed in this thesis take into account the thermal behavior of the motors in order to achieve more realistic results. Furthermore, the analytical models of synchronous motors are thoroughly studied leading to several interesting conclusions. They are based on well known algorithms developed for rotating motors. The proposed models are very accurate in comparison with the FEM program, except for a transversal flux linear motor for which the obtained results are not worthwhile enough to be optimized. This is caused by the structure of the motor which is close to a reluctant motor and imposes to model the motor by a lumped magnetic scheme. Moreover, a global analysis of the windings due to the particularity of linear motor to have an even or odd number of poles is presented in the thesis. The methodology proposed in the thesis is successfully used for an innovative application which deals with a multi mobile system for a lift. For this lift, several cabins travel in the same shaft implying linear motors to move autonomously each cabin. First, by comparing the different motor technologies, the best motor type is selected. Afterwards, the motor windings for the selected motors are analyzed and compared in order to find the most adapted one for this application. The motor is finally optimized, leading to a motor design proposal. This motor design takes into account the thermal behavior, the material cost and the electrical characteristic of the linear motor.
    Résumé
    Le développement des moteurs linéaires s'est d'abord fait en relation avec des applications liées aux systèmes de transport. Actuellement, les moteurs linéaires sont de plus en plus amenés à remplacer les systèmes composés d'un moteur rotatif et d'une transmission. L'utilisation d'entraînements directs augmente considérablement les performances du système puisque les limitations mécaniques sont supprimées. Les entraînements directs avec moteurs linéaires, bien que plus coûteux, sont caractérisés par une plus grande précision, une plus grande accélération et une plus grande vitesse. Les moteurs linéaires peuvent être soit synchrone ou asynchrone avec un flux transversal ou longitudinal. Ils sont caractérisés par plusieurs topologies; stator court ou stator long, tubulaire ou non. Ces différentes variantes offrent une multitude de possibilités pour effectuer un mouvement linéaire. Par conséquent, afin de sélectionner le moteur le plus approprié, une méthodologie de dimensionnement basée sur la comparaison de moteurs optimisés est présentée. Elle utilise des facteurs de mérite qui sont associés à l'application. Cette méthode diffère d'une conventionnelle de part le fait que des moteurs optimisés avec la même fonction objective sont comparés. Les optimums sont obtenus par une méthode indirecte qui utilise un algorithme dédicacé d'optimisation. Le choix de l'approche indirecte diffère d'une approche déterministe où au minimum un paramètre doit être fixé pour réaliser un dimensionnement puisque ce sont des domaines et des contraintes qui sont introduits. Le moteur obtenu peut, par la suite, être amélioré par un processus itératif. La méthodologie introduite dans cette thèse se veut globale et peut sans autre être appliquée au dimensionnement d'un moteur rotatif ou linéaire. L'utilisation d'un programme d'optimisation exige le développement de modèles analytiques. Les modèles développés dans cette thèse tiennent compte du comportement thermique des moteurs afin d'obtenir des solutions proches de la réalité. Les modèles analytiques des moteurs synchrones sont étudiés plus en détail et apportent certaines conclusions pertinentes. Les modèles analytiques présentés sont très précis, à l'exception du modèle d'un moteur linéaire à flux transversal pour lesquels les résultats obtenus ne sont pas assez précis pour permettre une optimisation. Tous les modèles ont été validés par un programme d'éléments finis. De plus, une analyse globale des bobinages due à la particularité des moteurs linéaires de pouvoir avoir un nombre impair ou pair de pôles est proposée. La méthodologie présentée est utilisée avec succès à une application innovante qui propose un système multi-mobile pour un ascenseur. Pour cet ascenseur, il est prévu de faire circuler de manière autonome plusieurs cabines dans la même cage d'ascenseur. Dans ce cas, la cabine ne peut pas bénéficier d'un système de câble et contre-poids, ce qui impose le moteur linéaire comme moyen de locomotion. Dans un premier temps, les différentes technologies de moteurs linéaires sont comparés afin de déterminer le moteur le mieux adapté. Ensuite, les bobinages relatifs à ces moteurs sont étudiés et comparés. Une fois le bobinage choisi, l'optimisation peut être réalisée afin de proposer une motorisation pour cette application. Ce dimensionnement de moteur prend en compte les aspects thermiques, de coût de matériel ainsi que des caractéristique électrique du moteur.