Étude et modélisation d'une machine à mémoire de flux variable à base d'aimants Fe-Cr-Co pour son alimentation et sa commande sans capteur mécanique à haute vitesse

Study and modeling of a Fe-Cr-Co magnet based Variable Flux Memory Machine for its supply and mechanical sensorless control at high speed

• Auteur / Autrice : Flávia Domingues de Sousa
• Direction : Serge Pierfederici, Farid Meibody-Tabar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 05/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Corinne Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Pierfederici, Farid Meibody-Tabar, Christophe Saudemont, Hamid Ben Ahmed, Alexandre Battiston
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Saudemont, Hamid Ben Ahmed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande, Théorie de la

Moteurs -- Systèmes de commande

Aimantation

Matériaux magnétiques

Flux magnétique

Machines synchrones

Aimants permanents

Mots clés libres

Machines à mémoire de flux variable

Aimants Fe-Cr-Co

Commande sans capteur mécanique

Aimantation à l'arrêt

Aimantation en dynamique

Variable flux memory machines

Fe-Cr-Co magnets

Sensorless control

Standstill magnetization

Running magnetization

Résumé

Les Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAPs) sont largement utilisées pour les applications d'électrification des transports. En produisant son flux magnétique à partir des aimants à base des terres rares (par exemple, Nd-Fe-B), ces machines ont été remise en question ces dernières années en raison des risques d'approvisionnement, de la variabilité des prix et des défis environnementaux liés à ces matériaux magnétiques mentionnés. À ce scénario, s'ajoutent également les limitations d'usage des MSAPs dans de grandes plages de couple-vitesse, nécessitant généralement des stratégies de défluxage, mises en œuvre en imposant une valeur de plus en plus négative à la composant direct du courant statorique à mesure que la machine accélère. Dans le cas de machines à pôles lises, en conséquence du défluxage, les pertes par effet Joule augmentent et le rendement réduit. Capables de fonctionner dans une large plage couple-vitesse, les Machines à Mémoire de Flux Variable (MMFVs) ont émergé comme une option caractérisée par une densité de flux magnétique réglable à partir des impulsions de courant de courte durée alimentant les enroulements de l'armature. Tout cela grâce à la boucle d'hystérésis fortement non linéaire qui caractérise les aimants à faible force coercitive utilisés comme source de flux. Les alliages Al-Ni-Co sont le choix de nombreuses recherches pour ces applications. Des matériaux magnétiques similaires comme le Fe-Cr-Co sont encore peu explorés, malgré leurs avantages comme sa faible teneur en Cobalt et ses propriétés mécaniques. Dans ce cadre, cette thèse propose l'étude d'une MMFV du type simple, avec une paire de pôles et sans enroulement dédié à la magnétisation. La géométrie de la machine est conçue à partir d'une MSAP, pour laquelle un rotor à base des aimants Nd-Fe-B est remplacé par un cylindre massif à base de FeCrCo36/5. Tout d'abord, nous nous concentrons sur l'étude du comportement magnétique de l'aimant lorsqu'il est inséré dans l'environnement de la machine. En raison de l'anisotropie différenciant la boucle d'hystérésis du Fe-Cr-Co dans les directions facile ou difficile d'aimantation, deux méthodologies sont proposées pour décrire le profil d'aimantation partielle via des tests expérimentaux à l'arrêt et des simulations par éléments finis. Les résultats obtenus sont comparés à la référence définie par des mesures à partir d'un équipement idéal (HysteresisGraph). Les effets dû à la géométrie et saturation du stator, et encore, à l'anisotropie de forme, justifient les différences observées. Les études qui suivent sont focalisés sur la magnétisation et le contrôle du couple en dynamique à partir de l'utilisation d'un algorithme de commande sans capteur de position au rotor. Dans ce contexte, cette recherche propose l'implémentation d'une Boucle à Verrouillage de phase du type Proportionnel Intégral pour estimer la position et la vitesse du rotor à partir de la mesure des tensions statoriques. Une attention est portée sur la compensation de l'angle de décalage nécessaire pour ajuster la position mentionnée en fonction du système d'acquisition (filtres actifs) et des caractéristiques de la méthode d'estimation utilisée. Une étude de sensibilité paramétrique identifie les inductances d'axes d et q comme des paramètres critiques pour l'estimation de l'angle de correction. Ainsi, cette thèse s'intéresse également à proposer une méthodologie pour décrire ces inductances à partir simulations par éléments finis. Les effets d'anisotropie de l'aimant et aussi la saturation statorique sont prises en compte. Une réluctance variable est identifiée dans la machine et son impact sur l'angle de correction étudié.

Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs) have been widely used for electrification transportation applications. Producing their magnet flux from rare-earth magnets (e.g. Nd-Fe-B magnets), these machines have had their long-term use increasingly questioned due to the risks of supply, price variability and the environmental challenges related to the extraction and recycling of these mentioned materials. To this scenario, can be also added the limitations of PMSMs for being used in large torque-speed ranges, requiring usually the implementation of flux-weakening strategies, based on supplying the machine with an increasingly negative direct stator current component as the rotor speed also increases. In case of non-salient pole machines the Joule losses can be enhanced and the efficiency consequently reduced. Capable of operating in a wide torque-speed range, the Variable Flux Memory Machines (VFMMs) have emerged as an option characterized by controllable magnetic flux density from short-time currents pulses supplying the armature windings. All this thanks to the highly non-linear hysteresis loop characterizing the low coercive force magnets used as source of flux. Al-Ni-Co alloys has been the choice of many researches for these applications. However, similar magnetic materials as Fe-Cr-Co are still little explored, besides advantageous characteristics as their lower content of Cobalt and mechanical proprieties. Within this framework, this thesis proposes the study of single-type AC-magnetized single pole pair VFMM, composed of a Fe-Cr-Co-based rotor. The machine geometry is designed from a PMSM, in which the rotor pf Nd-Fe-B is directly replaced by a solid cylinder of FeCrCo36/5. First, a focus on the study of the magnetic behavior of the magnet when inserted in the machine environment. Because of the anisotropy differentiating the hysteresis loop of the FeCrCo36/5 in the a easy or hard magnetization directions, two different methodologies are proposed for describing the partial magnetization profile via experimental tests at standstill and Finite Element Analysis simulations. The achieved results are compared with the reference obtained from an ideal measuring equipment (HysteresisGraph). The effects of a stator saturation and geometry as also the anisotropy shape are explored for justifying the differences observed. A following study focused on the magnetization under operation and the torque control is developed considering the an adapted sensorless algorithm. In this context, the present research proposes the use of a Proportional Integral Phase Locked-Loop for estimating the rotor position and speed. An attention is given to the offset angle compensation required for adjusting the mentioned position according to the acquisition system (active filters) and the characteristics of the estimation method used. A parametric sensitivity study allows the identification of the dq-axis inductances as the most critical parameters to an accurate correction angle estimation. For this reason, this research thesis is also interested in proposing a methodology to describe the d- and q-axis inductances from FEA simulations performed by considering the anisotropy effects of the magnet and also the saturation of the stator material. A variable reluctance is identified in the machine and its effect on the correction angle is studied.