Modeling of Multiphysics Electromagnetic & Mechanical Coupling and Vibration Controls Applied to Switched Reluctance Machine

par Man Zhang

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Xavier Mininger.

Soutenue le 12-09-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif sur Yvette) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

  • Titre traduit

    Modélisation multiphysique du couplage électromagnétique/mécanique et développement de contrôles de vibration appliqués aux machines à réluctance variable


  • Résumé

    En raison de ses avantages inhérents, tels que son faible coût, sa fiabilité élevée, sa capacité de fonctionnement à grande vitesse et en environnements difficiles, la machine à réluctance variable (MRV) est une solution attrayante pour l'industrie automobile. Cependant, la traction automobile est une application pour laquelle le comportement acoustique du groupe motopropulseur doit être particulièrement considéré, dans l'optique de ne pas dégrader le confort des passagers. Afin de rendre la MRV compétitive pour cette application automobile, le travail présenté se concentre sur plusieurs méthodes de contrôle cherchant à améliorer le comportement acoustique des MRV en réduisant les vibrations d'origine électromagnétique. Un modèle multi-physique électromagnétique / mécanique semi-analytique est proposé à partir de résultats de simulation numérique obtenus par la méthode des éléments finis. Ce modèle multiphysique est composé de modèles électromagnétiques et structurels, qui sont reliés par la composante radiale de la force électromagnétique. Deux méthodes de contrôle sont ensuite proposées. La première réduit la vibration en faisant varier l'angle de coupure du courant, la fréquence du la variation étant basée sur les propriétés mécaniques de la structure MRV. De plus, une fonction aléatoire uniformément distribuée est introduite pour éviter une composante fréquentielle locale de forte vibration. Une seconde méthode est basée sur le contrôle direct de la force (DFC), qui vise à obtenir une force radiale globale plus douce pour réduire les vibrations. Un adaptateur de courant de référence (RCA) est proposé pour limiter l'ondulation de couple introduite par le DFC, provoquée par l'absence de limitation de courant. Cette seconde méthode de réduction des vibrations appelée DFC & RCA est évaluée par des tests expérimentaux utilisant un prototype de MRV 8/6 afin de montrer sa pertinence. Une solution de partitionnement hardware/software est proposée pour implémenter cette méthode sur une carte FPGA utilisée en combinaison avec un microprocesseur.


  • Résumé

    Due to its inherent advantages Switched Reluctance Machine (SRM) are appealing to the automotive industry. However, automotive traction is a very noise sensitive application where the acoustic behavior of the power train may be the distinction between market success and market failure. To make SRM more competitive in the automotive application, this work will focus on the control strategy to improve the acoustic behavior of SRM by vibration reduction. A semi-analytical electromagnetic/structural multi-physics model is proposed based on the simulation results of numerical computation. This multi-physics model is composed by electromagnetic and structural models, which are connected by the radial force. Two control strategies are proposed. The first strategy to improve the acoustic behavior of SRM by vibration reduction. A semi-analytical electromagnetic/ structural multi-physics model is proposed based on the simulation results of numerical computation. This multi-physics model is composed by electromagnetic and structural models, which are connected by the radial force. Two control strategies are proposed. The first one reduces the vibration by varying the turn-off angle, the frequency of the variable signal is based on the mechanical property of switched reluctance machine. Besides, an uniformly distributed random function is introduced to avoid local high vibration component. Another one is based on the Direct Force Control (DFC), which aims to obtain a smoother total radial force to reduce the vibration. An reference current adapter (RCA) is proposed to limit the torque ripple introduced by the DFC, which is caused by the absence of the current limitation. The second vibration reduction strategy named DFC&RCA is evaluated by experimental tests using an 8/6 SRM prototype. A hardware/software partitioning solution is proposed to implement this method, where FPGA board is used combined with a Microprocessor.



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