Contribution to the design of an In-wheel brushless motor and its two stages feeding inverter
Contribution à la conception d'un moteur à aimants permanents du type jante et à son alimentation
Résumé
The subject of this dissertation is the study of a pennanent magnet brushless motor and its feed.ing inverter in the application of an electric vehicle. The different systems of electric vehicles are reviewed in the first chapter. The solution retained is an in-wheel brushless motor with pennanent magnet NdFeB. The points focused in designing a brushless motor concem the minimisation of the harmonics and the temperature influences on the magnetic characteristics of the magnet NdFeB and, therefore, on the motor. In chapter 2, the magnets are divided in some blocks and are shifted up each other along the motor axis. Based on the static torque curve, the real dimensions of the magnets and the slots and the saturation effect have been taken into account in our study. In regular shifting, the best total shifting angle does not correspond to a tooth step. The irregular shifting is approved particularly efficient even in the case of3 magnet blocks. In the third chapter, the entire B(H) curves of NdFeB is described, for all temperatures, by means of the double variables Chebychev polynomial series. These expressions are integrated in the package Flux-Expert for determining the magnetic field of the machine (in 2D) by finite elements method. This motor is especially sensible to the temperature and the armature reaction does not change greatly the working point of magnet. The two stages DC AC-AC supply inverter allows to have a soft switching in the drive system and, therefore, a limited electromagnetic pollution in the vehicle. The behaviour of this inverter is simulated, in chapter 5, by means of a program adapted from the software A TOSEC. The simulation results show that themodulation frequency for the first stage of the inverter should be in the order of 20kHz for a good current regulation. The simulation is valid for a lspeed up to 75% of its maximum under the rated eurrent and the current control remains efficient when the current is shifted from the electromagnetic force by an angle and even with the presence of toothharmonies
Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un moteur sans balais à aimants permanents et de son alimentation dans l'application d'un véhicule électrique. Les différents systèmes de véhicules électriques sont présentés dans le premier chapitre. La solution retenue est une roue électrique contenant un moteur sans balais à aimants permanents NdFeB. Les points abordés dans la conception du moteur concernent la minimisation des harmoniques de couple et l'influence de la température sur le comportement magnétique des aimants NdFeB et du moteur. Dans le chapitre 2, les aimants sont fractionnés dans le sans axial et décalés les uns par rapport aux autres. L'étude faite à partir du couple statique prend en compte la dimension réelle des aimants et des encoches et les phénomènes de saturation. Dans le cas d'un décalage régulier, la meilleure solution ne correspond pas à un pas dentaire. Le décalage irrégulier se révèle particulièrement efficace même dans le cas de 3 aimants. Dans le troisième chapitre, l'ensemble des courbes B(H) est décrit, pour toute température, au moyen d'une double série de polynômes de TchebycheiI Ces expressions sont intégrées dans le solveur Flux-Expert pour déterminer le champ en tout point de la machine (en 2D) par une méthode d'éléments finis. On constate que ce moteur est surtout sensible à la température, et que la réaction d'induit ne modifie pas notablement le point de fonctionnement. Le convertisseur d'alimentation à deux étages DC-AC-AC permet une commutation douce, donc une pollution électromagnétique limitée dans le véhicule. Le comportement de ce convertisseur a été simulé, dans le chapitre 5, au moyen d'un programme réalisé à partir du logiciel ATOSEC. Les résultats des simulations montrent que la fréquence de hachage du premier étage du convertisseur doit être de l'ordre de 20kHz pour que la régulation de courant fonctionne bien. La plage de validité atteint 75% de la vitesse maximale sous courant nominal et le contrôle du courant reste efficace si l'on décale la référence de courant par rapport à la fem trapézoïdale ou si celle-ci présente des harmoniques de denture