Développement d'un outil d’aide à la conception des moteurs synchrones à aimant permanent à démarrage direct

Development of a pre-sizing tool for the design of Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor (LSPMSM)

• Auteur / Autrice : Hamza Farooq
• Direction : Michel Hecquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance - ULR 2697 / L2EP
• Jury : Président / Présidente : Georges Barakat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Hecquet, Jean-Philippe Lecointe, Thierry Lubin, Aurélie Fasquelle, Nicolas Bracikowski, Patricio La Delfa, Razmik Demirjian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Lecointe, Thierry Lubin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Moteurs asynchrones

Moteurs

Énergie mécanique

Modélisation électromagnétique

Mots clés libres

Démarrage direct

Réseau de reluctances

Modélisation analytique

Conception du rotor

Optimisation multi-Objectif incluant le transitoire

Line start

Reluctance network

Analytical model

Rotor design

Muti-Objective optimization including the transient

Résumé

Cette thèse présente le développement d'un outil d’aide à la conception des moteurs synchrones à aimant permanent à démarrage direct. Ces moteurs à démarrage direct ont un rendement intéressant par rapport une machine asynchrone, et ceci en combinant sur leur rotor des aimants permanents et une cage d’écureuil. La cage offre la capacité de démarrage direct, tandis que les aimants permettent au moteur de se synchroniser et de fonctionner à une vitesse synchrone.L'objectif de cette étude consiste à développer un modèle rapide capable d'optimiser le rotor en prenant en compte la saturation dans les zones de haute densité de flux. Ce modèle devrait fournir les caractéristiques du moteur, notamment la vitesse et le couple en fonction du temps, afin d'assurer de bonnes performances lors de démarrage, en optimisant le dimensionnement des aimants et de la cage d'écureuil du rotor. Les aimants du rotor contribuent à améliorer les performances du moteur à vitesse synchrone, mais ils créent également un couple de freinage pendant la phase de démarrage, ce qui entrave un démarrage en douceur du moteur. La cage du rotor fournit quant à elle le couple d'induction pendant le démarrage et doit être conçue pour pouvoir fournir le couple de charge requis, quelle que soit l’application souhaitée.Pour atteindre cet objectif, un modèle analytique basé sur le circuit électrique équivalent dans les axes "d" et "q" est développé, afin d'analyser les performances de ce moteur. Ce modèle permet d’évaluer les performances dynamiques du moteur, à la fois pendant les régimes de démarrage et en régime permanent. Pour tenir compte de l'influence de la saturation sur les performances du moteur, une approche par des réseaux de réluctances est employée. Des relations analytiques issues des réseaux sont développées pour estimer la force électromotrice, de même que les inductances de magnétisation et de fuite.L'outil analytique développé est utilisé pour effectuer une optimisation multi-objectifs, afin d'améliorer simultanément les performances de démarrage en transitoire et synchrone en régime permanent. Le temps de démarrage du moteur est déterminé à l'aide du modèle pour garantir la capacité de démarrage direct dans le processus d'optimisation.Pour valider la robustesse du modèle analytique, des simulations par la méthode des éléments finis sont effectuées. De plus, une étude expérimentale est menée à l'aide d'un moteur à démarrage direct du commerce. Le modèle analytique montre des tendances similaires au démarrage du moteur par rapport aux résultats expérimentaux.Au final, l'outil développé, couplé à un outil d’optimisation, permet d’obtenir des solutions optimales sous forme de front de Pareto avec un bon compromis entre la précision et la rapidité. Cela permet à l’utilisateur d’obtenir rapidement des tendances de conception, notamment sur le prix et les pertes, tout en s’assurant du démarrage possible du moteur, quelle que soit la charge

This thesis presents the development of a design tool for line start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM). This motor is an effective alternative to replace the squirrel cage induction motor (SCIM) for enhancing the efficiency in direct-start applications. Its rotor contains permanent magnets and a squirrel cage. The cage provides direct-start ability and the magnets allow the motor to synchronize and operate at a synchronous speed.The main objective of this study is to develop a fast model capable of optimizing the rotor by considering saturation in high-flux-density areas. This model should provide motor characteristics, including speed and torque over time to ensure self-starting performance. Additionally, it should allow the sizing of both magnets and the rotor's squirrel cage for the optimization of LSPMSM performance. Rotor magnets help to improve the motor performance at synchronous speed, but they also create a breaking torque during the transient that hinders the motor from starting smoothly. The rotor cage provides the induction torque and must be designed to deliver the required load torque during startup, for a desired application. A transient model is required to observe the effect of the rotor magnets and squirrel cage on the motor performance.To attain this goal, an analytical model based on the d-q axis equivalent electric circuit is developed for analyzing the performance of LSPMSM. The tool analyzes the performance of this motor during both the starting and synchronous regimes. It accounts for the influence of saturation on motor performance using a reluctance network (RN) approach. Analytical relationships based on RN are developed to estimate the back electromotive force, d-q axis magnetizing inductances, and leakage inductances.The developed analytical approach is used to perform multi-objective optimization, for enhancing the starting and synchronous performance of LSPMSM simultaneously. The starting time of the motor is found using the transient model to ensure the self-starting ability in the optimization process.To validate the robustness of the analytical model, 2D finite element method simulations are utilized. Additionally, an experimental study is conducted using a commercial prototype of the LSPMSM. The analytical model demonstrates a similar starting response in comparison to the experimental results.The developed tool, coupled with an optimization tool, allows obtaining optimal solutions in the form of a Pareto front with a good balance between accuracy and computation time. This enables the designer to quickly gain design insights, especially regarding cost and losses, while ensuring the motor's starting ability under any load.