Design and control of the dual rotor permanent magnet induction machine for electric traction

• Auteur / Autrice : Ana Maria Gazdac
• Direction : Franck Betin, Augustin Mpanda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies innovantes (Amiens ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Betty Lemaire-Semail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Betin, Augustin Mpanda, Vincent Lanfranchi, Marc Delhaye, Betty Lemaire-Semail, Claudia Martis, Humberto Henao-Fernandez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Lanfranchi, Marc Delhaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse thermique

Aimants permanents

Électrotechnique

Mots clés libres

Analyse FEM

Circuit magnétique équivalent

Commande scalaire

Commande vectorielle

Résumé

Cette thèse propose un nouveau concept de machine électrique, la Machine Asynchrone à Aimants Permanents à double rotor dite machine hybride (MASH) comme une alternative aux machines existantes pour les applications de traction électrique. Le concept de la MASH, son principe de fonctionnement, ses avantages et inconvénients par rapport aux machines classiques ainsi que la démarche méthodologique de conception et dimensionnement sont étudiés. Deux méthodes analytiques de dimensionnement sont ainsi proposées soit pour la première basée sur la géométrie du stator (encombrement donné) soit pour la seconde basée sur la puissance nominale (imposée). L'approche analytique est complétée par une étude par la méthode des éléments finis qui permet de comparer la MASH à la MSAP et à la MAS d'après le rendement, le couple électromagnétique, les pertes ainsi que la puissance fournie. Une analyse de l'influence des différents types de matériaux magnétiques et conducteurs sur les performances est aussi effectuée de même qu'une analyse du comportement thermique. La dernière partie de la thèse concerne la commande de la MASH qui nécessite au préalable d'identifier les paramètres électriques des schémas équivalents. La stratégie de contrôle basée sur l'orientation du flux statorique comprenant deux boucles, une boucle asynchrone pour le rotor à cage et une boucle synchrone pour le rotor à aimants permanents, est alors proposée pour valider le comportement dynamique de la MASH. Cette validation est faite par comparaison des résultats obtenus par co-simulation (FEM & commande externe) et par le modèle de Park. L'ensemble des résultats obtenus permettent de construire un prototype de la MASH.

The present thesis proposes a new concept of electrical machine, the dual-rotor Permanent Magnet Induction Machine, as an alternative to existing electrical machines for electric traction applications. The concept of dual-rotor Permanent Magnet Induction Machine (PMIM), its operating principle, advantages and disadvantages compared to classical machines as well as design and sizing methodologies are studied. Two analytical pre-sizing methods are thus proposed in this thesis: Stator Geometry Based Method (SGBM) where the sizing algorithm begins from a given stator geometry and Output Power Based Method (OPBM) where the sizing algorithm starts from an imposed output power. The analytical approach is complemented by a study using the Finite Element Method for comparing the PMIM with the IM (Induction Machine) and the PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine) based on their performance, electromagnetic torque, losses and output power. Analysis of the influence of different types of magnetic and conductive materials on the performance of the PMIM is also performed, as well as an investigation on its thermal behavior. The last part of the thesis focuses on the control of the PMIM which required a prior identification of parameters of the equivalent electric circuit. The control strategy, which is based on the Field Oriented Control and is composed of two loops, one asynchronous loop for the cage rotor and one synchronous loop for the PM rotor, is then proposed to validate the dynamic behavior of the PMIM. The validation is done by comparing the results obtained by co-simulation (FEM and External control) and Park model. All obtained results allow building a prototype of the PMIM.