Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à hautes vitesses de rotation : application à la propulsion des véhicules automobiles

Driving-cycle based design optimization of a permanent magnet synchronous machine at high-speed rotation : application to the propulsion of motor vehicles

• Auteur / Autrice : Thi Nhat linh Dang
• Direction : Gérard Berthiau, Nicolas Bracikowski, Nicolas Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et génie électrique
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Énergie Électrique de Nantes-Atlantique
• Jury : Président / Présidente : Daniel Matt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Gaubert, Georges Barakat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Gillon, Hamid Ben Ahmed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande, Théorie de la

Machines synchrones

Mots clés libres

Dimensionnement optimal sur cycle

Défluxage

Résumé

Dans cette étude, une méthodologie analytique est présentée pour dimensionner les machines fonctionnant sur cycle pour les applications de véhicules électriques. Les objectifs sont de minimiser simultanément les énergies perdues sur cycle et le volume de machines synchrones à aimants permanents (PMSM) non saillants à grande vitesse en considérant tous les points de fonctionnement du cycle de conduite. La méthode permet d'optimiser à la fois la géométrie de la machine et la stratégie de commande (via l'angle d’autopilotage et la force magnétomotrice). Les valeurs de l'angle d’autopilotage sont optimisées pour réduire les pertes totales (pertes cuivre et pertes fer) pendant le cycle de conduite. On montre comment le mode de défluxage réduit à la fois les pertes moyennes sur cycle dans la machine et les contraintes sur le convertisseur de puissance. La performance de la machine optimisée est validée pour tous les points du cycle de conduite à l’aide d'un réseau de réluctances. Ce modèle permet de prendre en compte le mouvement du rotor, les flux de fuites et la réaction de l'induit. De plus, il permet également de modéliser le couplage entre le moteur et son système d'alimentation, composé du convertisseur de puissance et de la commande. Cela permet d'étudier l'influence des différentes stratégies de commandes telles que la commande en pleine onde ou par modulation de largeur d'impulsion (MLI) sur les performances du moteur. Un dimensionnement optimal est réalisé pour un véhicule urbain sur le cycle Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS).

In this study, an analytical method is presented to size the machines working over a driving cycle for electrical vehicle applications. The objectives are to simultaneously minimize the energy losses over the cycle and the volume of high-speed non-salient Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) considering all working points of a driving cycle. The method allows optimizing both the geometry of the machine and the control strategy (via the torque angle and the magnetic force). The values of the torque angle are optimized to reduce the energy losses during the driving cycle. It is shown how flux-weakening reduces both the constraints on the energy losses in the machine and the power converter. The performance of the optimal designed machine is validated at all working points of the driving cycle by means of a reluctance network model. This model allows taking into account the movement of the rotor, the flux leakage, the armature reaction. In addition, it permits to model the coupling between the motor and its power supply system composed of a power converter and its command. The model allows studying the influence of different control strategies such as the full wave operation or the Pulse Width Modulation (PWM) on the performance of the motor. A study is carried out for the Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) and an urban vehicle.