Stochastic post-processing calculation of iron losses – application to a PMSM

To take account of the uncertainties introduced on the magnetic properties during the manufacturing process, the present work aims to focus on the stochastic modelling of iron losses in electrical machine stators. The investigated samples are composed of 28 slinky stators, coming from the same production chain. The stochastic modelling approach is first described. Thereafter, the Monte-Carlo sampling method is used to calculate, in post-processing, the iron loss density in a PMSM that is modelled by the finite element method. The interest of such an approach is emphasized by calculating the main statistical characteristics associated to the losses variability, which are Gaussian distributed for A and O formulations. The originality of the approach is due to the fact that the global influence of the manufacturing process (cutting, assembly, …) on magnetic properties of the considered samples is taken into account in the way of computing the iron losses.This work is supported by the program MEDEE (Nord Pas-de-Calais Region, France

Contribution à l'étude de la commande vectorielle de machines à reluctance variable : prise en compte de l'amortissement et de la saturation

Not availableLe travail de ce mémoire porte sur la commande vectorielle de machines à reluctance variable en tenant compte des courants induits dans le rotor, quand celui-ci est massif, et en tenant compte de l'effet de saturation. L'étude a été limitée à la machine à reluctance variable à stator lisse et rotor massif et la machine Vernier non excitée, structures qui présentent les caractéristiques de couple les plus intéressantes. La modélisation de Park de chacune des deux machines, en négligeant l'effet de la saturation, a permis de définir une stratégie de commande pouvant contrôler le couple de ces machines à partir de celui des deux composantes diphasées des courants statoriques. Cette stratégie de commande a ensuite été appliquée, en simulation à un prototype d'une machine à reluctance variable à stator lisse dont on a identifié les paramètres, alimenté par un onduleur à MLI. Le contrôle des deux courants diphasés indépendamment l'un de l'autre étant assuré par une matrice de découplage introduite dans le bloc de commande. La suite du travail a porté sur l'étude de l'influence des amortisseurs sur la commande de la MRV à stator lisse, et ce en variant, la simulation, les coefficients de couplage entre les enroulements statoriques et les amortisseurs, ce qui nous a éclairés sur la forme idéale que devrait avoir la MRV à stator lisse pour que la commande vectorielle soit optimale. Les expressions des correcteurs obtenues pour le modèle sans amortisseurs sont ensuite exploitées pour simplifier celles obtenues pour le modèle avec amortisseurs. La dernière partie du mémoire est consacrée à la modélisation et la commande de la MRV a stator lisse en tenant en compte des amortisseurs, de l'effet de saturation et de l'effet croisé entre l'axe d et l'axe q. À partir d'un modèle utilisant les inductances statiques et dynamiques en fonction des différents courants, et en négligeant l'effet croisé dynamique, la même stratégie de commande peut être utilisée pour ce modèle complet avec des résultats numériques très satisfaisant

Impact of Permanent Magnet Field on Inductance Variation of a PMLSM

Analytical models of Surface Mounted Permanent Magnet Linear Synchronous Motors are generally presented with constant inductances. However, the impact of powerful rare-earth PMs in the saturation phenomena cannot be neglected anymore. In this paper, a new non-linear model of PMLSM inductances is suggested. This model is defined as a function of the current value as well as of the magnet position. So, an analytical study, a finite-element analysis and experimental results are presented and confronted

Contribution à la modélisation déterministe et stochastique du phénomène de pull-in dans les MEMS à actionnement électrostatique

Un microsystème électromécanique (MEMS Micro Electro-Mechanical Systems) est une structure qui intègre un ou plusieurs éléments mécaniques réalisant la fonction de capteur ou d actionneur à l échelle du micron. Jusqu au milieu des années 1990, les MEMS étaient réservés à des applications spécifiques, notamment dans les domaines spatiales et aéronautiques. Depuis une décennie, ces microsystèmes connaissent un essor important dans de nombreux secteurs grand public comme l automobile, l informatique ou encore les télécommunications. La conception et l évaluation des performances de ces microsystèmes nécessitent des outils de modélisation robustes et fiables. Ainsi, les présents travaux de recherche ont pour objectif la modélisation, déterministe et stochastique, de MEMS à actionnement électrostatique pour le calcul spécifique du phénomène de collage électrostatique (pull-in phenomenon).Les différentes approches de modélisation associant les deux physiques mises en jeu, à savoir les comportements électrostatique et élastique, sont investiguées. La présentation des résultats, sur deux cas types de poutres issues de MEMS électrostatiques, suit une approche didactique, allant du modèle le moins précis (analytique) vers le modèle le plus fin (éléments finis). Elle permet ainsi de mettre en évidence les effets prédominants, notamment la déformation des parties mobiles et les effets de bord. Enfin, afin de tenir compte des incertitudes sur la géométrie et les matériaux, une étude stochastique, à l aide d approches non intrusives de types Monte Carlo et décomposition en chaos polynomial, est également effectuée pour le calcul de la tension de collage d un dispositif MEMS.MEMS are micro-structures integrating one or several mechanical elements performing as transducers or actuators. Until the mid 90s, MEMS technology was exclusively dedicated to aerospace and aeronautical applications. In the last decade, these microsystems have known a real boom, spreading in specific consumer applications like automotive, IT and telecommunications. The design and performance analysis of MEMS requires reliable and robust simulation tools. Thereby, the presented works, aim at the deterministic and stochastic modelling of electrostatic MEMS, focusing on the well known pull-in phenomenon.The different modelling approaches describing the electrostatic, elastic and the coupled electromechanical behaviours are investigated. The results are illustrated on two beam-like typical structures, following a didactic approach, from the simplest model (analytical) towards the most precise (Finite Element), emphasizing the predominant effects, like the deformation of the active parts and fringing fields.Furthermore, in order to take into account the uncertainties on the geometry or the material properties, a stochastic analysis is also done, using non intrusive approaches, as Monte-Carlo method and the polynomial chaos decomposition approach, for the determination of the pull-in voltage of a MEMS device.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Contribution à la prise en compte des pertes fer dans la modélisation des machines électriques par éléments finis

La prise en compte des pertes fer dans les machines électriques est une étape cruciale lors du processus de conception. L objectif de ce travail a donc été de valider l implémentation d un modèle de pertes fer tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le choix s est porté sur l utilisation de modèles de calcul des pertes en post-traitement d un code par éléments finis. Ainsi, différents modèles analytiques ont été comparés en régime sinusoïdal et non sinusoïdal (sans cycles mineurs) en termes de précision, afin de choisir le plus adapté pour une implantation dans code_Carmel. Par ailleurs, nous avons montré que la prise en compte des cycles mineurs peut être améliorée en remplaçant le terme classique de Steinmetz par un modèle d hystérésis ou par un modèle analytique adapté. L implémentation et la précision du modèle analytique ont été évaluées d abord sur des systèmes simples puis sur plusieurs machines tournantes. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais à vide montre une bonne concordance et démontre la capacité du modèle à estimer les pertes fer avec une bonne précision pour une large gamme de machines électriques et pour les deux types d alimentations utilisés (sinusoïdale et MLI).Taking into account the iron losses in electromechanical machines is a crucial step during the design process. The aim of this study was to validate the implementation of an iron loss model at the same time performing an accurate modelling of the electrical system. Our choice was to use models in a post-processing stage of a finite element code. Thus, four analytical models were compared for, sinusoidal and non-sinusoidal supply, (without minor cycles) in terms of accuracy, in order to choose the most suitable to be implanted in code_Carmel. We have shown that the inclusion of minor loops can be improved by replacing the classical Steinmetz term by a hysteresis model or by a suitable analytical model. The implementation and the accuracy of the analytical model were evaluated first on simple systems, and after on several rotating machines. Comparing the simulated results with measurements ones showed good agreement and demonstrated the ability of the model to estimate the iron losses with good accuracy for a wide range of electrical machines and for different supply (sinusoidal and PWM).LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude et la commande de génératrices asynchrones à cage dédiées à des centrales électriques éoliennes autonomes

Les travaux de cette thèse ont pour objectif d étudier la machine asynchrone à cage dans le contexte d une conversion de l énergie éolienne dans des sites isolés. Après un bref rappel des concepts de la conversion de l énergie éolienne en énergie électrique, ce document dresse un état de l'art des différents solutions électrotechniques utilisées tant dans le domaine de production de masse que dans celui de l alimentation de sites isolés. Le second chapitre est dédié à la modélisation de la machine asynchrone à cage. Le modèle linéaire de la machine asynchrone présentant des limites, une modélisation originale et simple, dans laquelle le phénomène de la saturation est pris en compte par une inductance magnétisante fonction du courant magnétisant a été élaboré. Les paramètres de ce modèle peuvent être obtenus à partir d essais ou d une approche numérique par élément finis en 2D. Les outils de modélisation proposés sont ensuite utilisés pour l étude des performances de la machine asynchrone dans le cas de fonctionnements en génératrice autonome débitant sur des bancs de capacités et des charges équilibrées et déséquilibrées. Les résultats de simulation sont validés expérimentalement sur un banc d essais. La dernière partie du mémoire est consacrée à la comparaison de deux techniques de commande de la génératrice asynchrone, autonome, débitant sur un redresseur à MLI (commande vectorielle, contrôle direct du couple). Le but de ces techniques est de maintenir une tension constante à la sortie du redresseur pour des charges et des vitesses variables. Cette tension est ensuite ondulée à la bonne amplitude et fréquence pour une utilisation en site isolé. Pour chaque technique, deux stratégies ont été testées (àflux constant et à flux variable en fonction de la vitesse). Les résultats de simulation ont montrél efficacité de ces techniques ainsi que les intérêts et les limites de chacune d elles.The work of this thesis aims to study the squirrel cage induction machine in the context of the wind energy conversion in isolated locations. After a brief review of the concepts of converting wind energy into electrical energy, this document describes the state of the art of different solutions used in both the mass production electrical field than in the supply of isolated sites. The secondchapter is dedicated to the modelling of squirrel cage induction machine. As the linear model presents limitations, a new and simple model, in which the saturation phenomenon is taken into account by a magnetizing inductance function of the magnetizing current, was developed. The parameters of this model can be obtained from tests or numerical approach using 2D FEM. The proposed modelling tools are then used to study the performance of stand alone induction generators connected to capacitive bank and balanced and unbalanced loads. The simulation results are validated experimentally on a test bench. The last part of the thesis is devoted to comparison of two techniques for controlling the induction generator, self-feeding a PWM rectifier (Vector Control, Direct Torque Control). The purpose of these techniques is to maintain a constant voltage at the output of the rectifier whatever the loads and speeds. This voltage is then adapted by the inverter to the good magnitude and frequency for a use in isolated areas. For each technique, two strategies were tested (at constant flux and variable flux depending on speed). The simulation results showed the effectiveness of these techniques and the interests and limitations of each.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Evaluation of the overlapping finite element method for taking into account very small displacements

LGEP 2010 ID = 687International audienc

A Combined Experimental and Finite Element Analysis Method for the Estimation of Eddy-Current Loss in NdFeB Magnets

NdFeB permanent magnets (PMs) are widely used in high performance electrical machines, but their relatively high conductivity subjects them to eddy current losses that can lead to magnetization loss. The Finite Element (FE) method is generally used to quantify the eddy current loss of PMs, but it remains quite difficult to validate the accuracy of the results with complex devices. In this paper, an experimental test device is used in order to extract the eddy current losses that are then compared with those of a 3D FE model