Визначення впливу геометрії пазу статора тягового синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами на рівень зубчатого електромагнітного моменту

This paper reports the model of a magnetic field of the synchronous reluctance motor with permanent magnets that was developed on the basis of a finite-element method. The model was implemented in the FEMM finite-element analysis programming environment involving the application of the Lua-based script. The model makes it possible to determine the dependence of the engine's electromagnetic moment on the rotor rotation angle. Determining the level of a saw-shaped moment is important for assessing its harmful effect on the structural elements of the traction motor and the drive in general. The results of digital modeling have established the dependences of the electromagnetic moment on the rotor rotation angle. The moment has a variable component – the saw-shaped moment, whose amplitude for open grooves under a rated load mode is 182 Nm, and for semi-open grooves ‒ 90 Nm. The use of semi-open grooves exerts a positive effect on eliminating the saw-shaped moment in a synchronous reluctance motor with permanent magnets and may be recommended for further application on engines of this type. Semi-open grooves reduce the opening of the stator groove by 2 times and lead to a smoother flux distribution under the gear division. That reduces the oscillations of the main magnetic flux. The proposed application of semi-open stator grooves makes it possible to reduce by more than 2 times the level of a saw-shaped moment of the synchronous reluctance motor with permanent magnets under a rated mode. It has been determined that a rather positive factor is an increase of 4.8 % in the average motor moment value under a rated mode when using semi-open grooves. This is due to a decrease in the average value of magnetic resistance to the main magnetic flux. Therefore, with a simultaneous decrease in the moment's fluctuations, the transition to semi-open grooves makes it possible to improve the mass-dimensional indicators of the motor in general.На основе метода конечных элементов разработана модель магнитного поля синхронно-реактивного двигателя с постоянными магнитами. Модель реализована в среде конечно-элементного анализа FEMM с одновременным использованием скрипта на языке Lua. Модель дает возможность определять зависимость электромагнитного момента двигателя от угла поворота ротора. Определение уровня зубчатого момента важно для оценки его вредного воздействия на элементы конструкции тягового двигателя и привода в целом. По результатам цифрового моделирования получены зависимости электромагнитного момента от угла поворота ротора. Момент имеет переменную составляющую – зубчатый момент – амплитуда которой, для открытых пазов в режиме номинальной нагрузки составляет 182 Нм, а для полуоткрытых пазов 90 Нм. Применение полуоткрытых пазов положительно влияет на борьбу с зубчатым моментом синхронно-реактивного двигателя с постоянными магнитами и может быть рекомендовано к дальнейшему использованию на двигателях подобного типа. Полуоткрытые пазы уменьшает в 2 раза открытия паза статора и приводит к более плавному распределению потока под зубчатым делением. Это приводит уменьшения колебаний основного магнитного потока. Предложенное применение полуоткрытых пазов статора позволяет более чем в 2 раза снизить уровень зубчатого момента синхронно-реактивного двигателя с постоянными магнитами в номинальном режиме. Определено, что довольно положительным фактором является увеличение на 4,8 % среднего значения момента двигателя в номинальном режиме при применении полуоткрытых пазов. Это объясняется снижением среднего значения магнитного сопротивления основному магнитному потоку. Поэтому с одновременным уменьшением колебания момента переход к полуоткрытых пазов дает возможность поднять массогабаритные показатели двигателя в целомНа основі методу скінчених елементів розроблено модель магнітного поля синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами. Модель реалізована в середовищі скінчено-елементного аналізу FEMM з одночасним використанням скрипту на мові Lua. Модель дає можливість визначати залежність електромагнітного моменту двигуна від куту обертання ротору. Визначення рівня зубчастого моменту важливо для оцінки його шкідливого впливу на елементи конструкції тягового двигуна та приводу в цілому. За результатами цифрового моделювання отримані залежності електромагнітного моменту від кута повороту ротору. Момент має змінну складову – зубчастий момент, – амплітуда якої для відкритих пазів у режимі номінального навантаження складає 182 Нм, а для напіввідкритих пазів 90 Нм. Застосування напіввідкритих пазів позитивно впливає на боротьбу з зубчастим моментом синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами та може бути рекомендовано до подальшого вживання на двигунах подобного типу. Напіввідкриті пази зменшує у 2 рази відкриття пазу статора та призводить до більш плавного розподілу потоку під зубчастим поділом. Це призводить зменшення коливань основного магнітного потоку. Запропоноване застосування напіввідкритих пазів статору дозволяє більше ніж у 2 рази знизити рівень зубчастого моменту синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами у номінальному режимі. Визначено, що доволі позитивним фактором є збільшення на 4,8 % середнього значення моменту двигуна в номінальному режимі при застосуванні напіввідкритих пазів. Це обумовлюється зниженням середнього значення магнітного опору основному магнітному потоку. Тому з одночасним зменшенням коливання моменту перехід до напіввідкритих пазів дає можливість підняти масогабаритні показники двигуна в цілом

Оцінка якості систем керування тяговим вентильно-індукторним приводом гібридного тепловозу

We have studied the valve-inductor drive for its application as a traction motor in a hybrid locomotive. We identifying parameters of the valve-inductor engine and built its simulation model based on a Lagrange equation. The model constructed makes it possible to take into consideration non-linearity of the engine. We have synthesized a modal speed controller and a controller based on fuzzy logic for the valve-inductor drive of a hybrid locomotive. The operation of two types of controllers was analyzed in terms of their influence on the basic quality indicators of control; it was found that the fuzzy controller was better at processing the set value of input magnitude. We have designed a simulation model of the traction valve-inductor drive of a hybrid locomotive with a fuzzy speed controller, and studied its work along a railroad section with actual profile and limitations.Control systems based on a modal controller and fuzzy logic were synthesized. It is established that the modal controller has the following quality indicators: maximal overshoot – 12.27 %, re-adjustment time – 5.08 s, number of oscillations – 2. For the FPID-controller, the quality indicators are: 3.75 %, 3.01 s, and 1, respectively. Thus, on analyzing the quality of their operation, it was found that the best indicators were demonstrated by the FPID- controller.The built physical model of the valve-inductor drive, specifically the system wheelset-engine with a control system that employs the fuzzy algorithm of speed regulation, confirms the feasibility of a fuzzy controller.Идентифицированы параметры вентильно-индукторного двигателя и создана его имитационная модель. Синтезирован модальный регулятор скорости и регулятор на базе нечеткой логики. Проанализирована работа двух типов регуляторов на основные показатели качества регулирования. По результатам анализа установлено, что нечеткий регулятор более точно отрабатывает регулируемую величинуІдентифіковано параметри вентильно-індукторного двигуна та створена його імітаційна модель. Синтезовано модальний регулятор швидкості та регулятор на базі нечіткої логіки. Проаналізовано роботу двох типів регуляторів на основні показники якості регулювання. За результатами аналізу встановлено, що нечіткий регулятор більш точно відпрацьовує регульовану величин

Оцінка якості систем керування тяговим вентильно-індукторним приводом гібридного тепловозу

We have studied the valve-inductor drive for its application as a traction motor in a hybrid locomotive. We identifying parameters of the valve-inductor engine and built its simulation model based on a Lagrange equation. The model constructed makes it possible to take into consideration non-linearity of the engine. We have synthesized a modal speed controller and a controller based on fuzzy logic for the valve-inductor drive of a hybrid locomotive. The operation of two types of controllers was analyzed in terms of their influence on the basic quality indicators of control; it was found that the fuzzy controller was better at processing the set value of input magnitude. We have designed a simulation model of the traction valve-inductor drive of a hybrid locomotive with a fuzzy speed controller, and studied its work along a railroad section with actual profile and limitations.Control systems based on a modal controller and fuzzy logic were synthesized. It is established that the modal controller has the following quality indicators: maximal overshoot – 12.27 %, re-adjustment time – 5.08 s, number of oscillations – 2. For the FPID-controller, the quality indicators are: 3.75 %, 3.01 s, and 1, respectively. Thus, on analyzing the quality of their operation, it was found that the best indicators were demonstrated by the FPID- controller.The built physical model of the valve-inductor drive, specifically the system wheelset-engine with a control system that employs the fuzzy algorithm of speed regulation, confirms the feasibility of a fuzzy controller.Идентифицированы параметры вентильно-индукторного двигателя и создана его имитационная модель. Синтезирован модальный регулятор скорости и регулятор на базе нечеткой логики. Проанализирована работа двух типов регуляторов на основные показатели качества регулирования. По результатам анализа установлено, что нечеткий регулятор более точно отрабатывает регулируемую величинуІдентифіковано параметри вентильно-індукторного двигуна та створена його імітаційна модель. Синтезовано модальний регулятор швидкості та регулятор на базі нечіткої логіки. Проаналізовано роботу двох типів регуляторів на основні показники якості регулювання. За результатами аналізу встановлено, що нечіткий регулятор більш точно відпрацьовує регульовану величин

Mathematical modelling of transients in the electric drive of the turnout of the mono-sleeper type with switched-inductor motor

Introduction. The study is devoted to the development of the functionality of a railway track switch by introducing a switched-inductor electric drive. This solution justifies simplifying the mechanical part of the switches by changing the gearbox to a ball-screw and locating the all kinematic line of the switches on the mono-sleeper type. Goal. A study of the mono-sleeper turnout type behaviour to meet modern traffic safety requirements and improve operational reliability factors. Methodology. Based on electric drive theory, a kinematic line of a mono-switch turnout type with nonlinear friction characteristic is presented. Using differential equation theory and Laplace transformation, a mathematic description of a four-phase switched-inductor motor with ball-screw in a mechanical line of a single-mass electromechanical system has been made. A simulation mathematical model of the electric drive of mono-sleeper turnout type as the control system with a switched-inductor motor and nonlinear friction characteristic was built in MATLAB. Results. Simulation modelling of a mathematical model of a mono-sleeper turnout type with a switched-inductor motor and ball-screw gear has been developed and implemented. Studies of dynamics of turnout point movement have shown that, in contrast to the motors used today, the switched-inductor motor makes it possible to simplify the mechanical part of the drive, which leads to reduced time spent on laying and maintenance of turnout points, and therefore makes the design more reliable. The application of PID controller and fuzzy speed controller has shown improved dynamics of turnout point, while the fuzzy PID controller provides better performance of the set values and turnout point movements. Originality. First developed a mathematical model of the electric drive of the mono-sleeper turnout type, taking into account nonlinear friction characteristic, as an object of speed control of turnout point movement, is developed. Practical value. The developed mathematical model of a railway track turnout of the mono-sleeper type with a switched-inductor motor and ball-screw gear enables more efficient use of a microprocessor control system, creation of promising electric motor protection means and control of a turnout point

Convertisseurs à bobine variable pour applications de transport durables

Abstract: Power electronics converters are key components and enable efficient conversion and management of electrical energy in a wide range of applications. For vehicular use, there is an inevitable need to improve their performance and reducing their size. This is particularly important in case of powertrain DC-DC converters as they are required to have improved performance while respecting the specifications, characteristics and stringent space limitations. These objectives define research targets and a particular progress is essential in the field of passive components, semiconductor devices, converter topologies and control. At the current state of technologies, the passive components particularly the power inductors are dominant components which affect the overall volume, cost and performance of power electronic converters. Considering the aforementioned critical aspects, this thesis proposes a variable inductor (VI) concept in order to reduce the weight and size power inductors which are traditionally bulky and have fairly limited operating range. By modulating the permeability of the magnetic material, this concept enhances the current handling capability of power inductors, controls the current ripples, reduces the magnetic and switching losses, as well as the stresses applied to switching devices. Furthermore, it enables the use of smaller cores which leads to the reduction of mass and volume allowing improvements in the converter operation and its overall performance. However, to integrate it into powertrain DC-DC converters, it is fundamental, to question the design of the component itself, the selection of suitable magnetic core materials, and the control of current in the auxiliary winding and saturation management of magnetic cores. This thesis systematically addresses these different research challenges. A particular attention is paid to the experimental study of a VI prototype to demonstrate the concept on a small-scale in order to explore its viability. Subsequently a detailed characterization was developed using finite element analysis to determine the intrinsic functionality of the passive component. Furthermore, this thesis proposed an RMS current based VI design to reduce oversizing of power inductors for electric vehicles application. In this methodology, the selection of a suitable magnetic core material is a crucial step to assure smaller and efficient converters. Hence, this thesis proposes a simplified approach based on weighted property method (WPM) for an appropriate selection of magnetic core in accordance to the needs of the user. Furthermore, to validate the integration of this concept in DC-DC converter topology used in the powertrain of electrified vehicles, an affine parameterization method is used to design the control parameters and a simple management strategy is proposed to enable dynamic control of the VI. The converter control and the proposed strategy are evaluated through simulations of a complete powertrain of a three-wheel recreational vehicle. The small-scale experimental and simulations, and full-scale simulations have demonstrated an interesting capacity of the VI for improving the performance of DC-DC converters for electrified vehicles and manage the saturation of the magnetic core while reducing the size and weight of magnetic components.Les convertisseurs d’électroniques de puissance sont des composants clés de la conversion et gestion efficace de l’énergie électrique dans une large gamme d’applications. Pour des utilisations véhiculaires, il est inévitablement nécessaire d’améliorer leurs performances et de réduire leur taille. Ceci est particulièrement important dans le cas des convertisseurs à courant continu (CC) de la chaine de traction où des performances améliorées en réponse à une large gamme de variations de charge sont recherchées tout en respectant les spécificités, caractéristiques et limitation d’espace nécessaires aux véhicules électrifiés. Ces objectifs définissent une cible de recherche et en particulier des progrès sont essentiels dans le domaine des composants passifs, des dispositifs semi-conducteurs, des topologies des convertisseurs et leurs commandes pour généraliser l’utilisation de véhicules électriques. Les composants passifs, en particulier les inductances de puissance, sont des composants dominants qui affectent le volume global, le coût et les performances de ces convertisseurs d’électroniques de puissance. Compte tenu de ces aspects, cette thèse propose un concept de bobine variable afin de réduire le poids et la taille des inductances de puissance qui sont traditionnellement encombrantes et ont une gamme de fonctionnement assez limitée. En modulant la perméabilité du matériau magnétique, ce concept améliore la capacité de gestion du courant des bobines de puissance, contrôle les ondulations du courant et réduit les pertes magnétiques et par commutation, bien comme les contraintes appliquées aux dispositifs de commutation. En outre, il permet l’utilisation de noyaux plus petits, ce qui entraîne une réduction de masse et de volume, en permettant une amélioration du fonctionnement du convertisseur et de ses performances globales. Cependant, pour l’intégrer aux convertisseurs CC-CC utilisés dans la chaine de traction, il est fondamental de se questionner sur la conception du composant lui-même, la sélection du matériau magnétique, la commande du courant de l’enroulement auxiliaire et la gestion de la saturation du noyau magnétique. Cette thèse aborde de manière systématique ces différents défis de recherche. Une attention particulière est accordée à l’étude expérimentale d’un prototype de bobine variable pour faire la preuve de concept à petite échelle afin d’explorer sa viabilité. Par la suite, une large caractérisation par éléments finis a été développée pour déterminer le fonctionnement intrinsèque de ce composant passif. De plus, cette thèse propose une méthode systématique de design de bobine variable basée sur le courant RMS pour réduire le surdimensionnement traditionnellement associer aux inductances de puissance pour des applications véhiculaires. Dans cette méthodologie, la sélection appropriée du matériau pour le noyau magnétique est une étape cruciale pour garantir des convertisseurs plus petits et efficaces, donc une démarche de sélection simplifiée basée sur la méthode des propriétés pondérées pour le choix de noyau magnétique approprié au besoin de l’application a été mis au point. De plus, pour valider l’intégration de ce concept dans une topologie de convertisseur CC-CC traditionnellement utilisée dans la chaine de traction des véhicules électrifiés, une méthode de synthèse affine a été utilisée pour définir les paramètres des contrôleurs de courant et une stratégie de gestion de la saturation du noyau a été proposée pour permettre le contrôle dynamique de la bobine variable. La commande du convertisseur et la stratégie ont été évaluées par simulation d’une chaine de traction complète d’un véhicule récréatif réel. Les résultats expérimentaux à petite échelle et simulations à pleine échelle ont démontrés des capacités intéressantes de cette bobine variable pour l’amélioration des performances des convertisseurs CC-CC, ayant la capacité de gestion de la saturation du noyau magnétique tout en réduisant la taille et le poids de ces composants passifs, dans le but de son utilisation dans la chaine de traction des véhicules électrifiés

Modelling and Control of Switched Reluctance Machines

Today, switched reluctance machines (SRMs) play an increasingly important role in various sectors due to advantages such as robustness, simplicity of construction, low cost, insensitivity to high temperatures, and high fault tolerance. They are frequently used in fields such as aeronautics, electric and hybrid vehicles, and wind power generation. This book is a comprehensive resource on the design, modeling, and control of SRMs with methods that demonstrate their good performance as motors and generators

Modelling and Control of Switched Reluctance Machines

Today, switched reluctance machines (SRMs) play an increasingly important role in various sectors due to advantages such as robustness, simplicity of construction, low cost, insensitivity to high temperatures, and high fault tolerance. They are frequently used in fields such as aeronautics, electric and hybrid vehicles, and wind power generation. This book is a comprehensive resource on the design, modeling, and control of SRMs with methods that demonstrate their good performance as motors and generators