Conception et optimisation des moteurs à aimants destinés à l'entraînement direct
Institution:
BesançonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The research work carried out in this report depicts a study of high power permanent magnet synchronous motors intended to be used in traction applications. In this context, we have realized an optimum design methodology for several drives specifications : two of them were related to high torque and low speed applications (a 17 MW motor for ship propulsion system and a classical 10kW PM machine), the third one was an electrical drive for an in-wheel motor. The design analyse procedure was formulated in form of nonlinear constrained optimisation problem. It defines the entire physical phenomenon, the variables, the constraints and the objective function. The goal thus was to elaborate various optimisation methods making it possible to fulfil the required specifications. For this, an optimisation approach based on an analytical model and a gradient method (using the CAO tool Pro@DESIGN) was adopted as a principal methodology for the study and the optimization of the considered topologies. In order to improve the optimal solution so obtained by an analytical method, we had developed a novel optimization approach by a numerical simulation technique. The idea was to have an approximation of the objective function which is intern linked to the electromagnetic characteristics and the most influential parameters of the motor structure. These steps were applied to optimize the 10 kW machine, where a 20% improvement in torque/weight ratio was obtained versus the analytical approach.
Abstract FR:
Les travausx de recherche s'inscrivent dans le cadre de, l'étude des moteurs synchrones à aimants permanents de forte puissance destinés à l'entraînement direct. Dans ce contexte, nous avons réalisé un dimensionnement optimal pour différents cahier des charges : deux d'entres eux sont des applications à fort couple et basse vitesse (un moteur 17 Mw pour l'entraînement électrique d'un navire et un moteur 10 kW standard), le troisième cahier des charges a concerné l'entraînement électrique d'une roue motrice pour une application véhicule électrique (moteur 45 kW). L'analyse du processus de conception des structures est formulée par un problème d'optimisation non linéaire sous contraintes définissant tous les phénomènes physiques, les variables, les contraintes et la fonction objevtif. Pour répondre aux exigences des cahiers des charges, une approche d'optimisation utilisant un modèle analytique et la méthode du gradient l'aide de l'outil de CAO Pro@DESIGN, a été principalement adoptée pour la conception optimale des structures étudiées. Afin d'améliorer la solution ainsi obtenue, une nouvelle approche d'optimisation liée à la simulation numérique a été développée. L'objectif était de donner une approximation de la fonction réponse à partir des caractéristiques électromagnétiques des paramètres les plus influents. L'application de cette méthode sur le moteur 10 kW a permis d'améliorer son couple massique de 20% par rapport à l'approche purement analytique.