Conception et contrôle tolérant aux pannes d'une nouvelle machine synchrone multiphasée à flux transversal et à aimant permanent

Design and Fault Tolerant Control of a Novel Multiphase Transverse Flux Permanent Magnet Synchronous Machine

• Auteur / Autrice : Wenjing Zhang
• Direction : Éric Semail, Yanliang Xu, Ngac Ky Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 30/05/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM en cotutelle avec Université du Shandong
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance - ULR 2697
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Jinji Sun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Semail, Yanliang Xu, Ngac Ky Nguyen, Guillaume Krebs, Guiqing Zhang, Xiuhe Wang, Wenliang Zhao, Franck Betin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jinji Sun, Guillaume Krebs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aimants permanents

Machines synchrones

Dissertation universitaire

Électrotechnique

Mots clés libres

Machine synchrone à aimant permanent à flux transverse

Machine synchrone à aimant permanent double-Triphasée

Méthode de transformation de Schwarz-Christoffel

Optimisation de la conception de la machine électrique

Contrôle tolérant aux pannes

Transverse flux permanent magnet synchronous machine

Dual three-Phase permanent magnet synchronous machine

Schwarz-Christoffel transformation method

Optimization design of electric machine

Fault tolerant control

Résumé

La machine synchrone à aimant permanent à flux transverse combine les avantages d'une densité de couple intrinsèquement élevée, de la capacité à ajuster la charge électromagnétique de manière indépendante, d'une conception de structure flexible et d'une structure de bobinage simple, ce qui lui confère un potentiel important pour être utilisée comme servomoteur dans les applications de robots industriels afin de parvenir à la miniaturisation de son entraînement électrique. En outre, la structure d'enroulement multi-phases peut être utilisée dans une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse pour obtenir l'avantage de la capacité de tolérance aux pannes, ce qui améliore encore la fiabilité fonctionnelle de l'entraînement électrique dans les robots industriels. Cependant, les recherches existantes sur les machines synchrones à aimant permanent à flux transverse et les recherches sur la tolérance aux pannes des machines multi-phases présentent encore des lacunes et des limites qui restreignent leur application dans le contexte de la thèse.L'objectif principal de cette thèse de doctorat est de proposer une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse de structure nouvelle pour améliorer les caractéristiques et les performances du robot industriel.Tout d'abord, une machine synchrone à aimants permanents à flux transverse à topologie à un rotor central à aimants sans fer et deux stators externes avec un circuit magnétique statorique hybride comprenant tôle laminées et poudre de fer (DS-HSDR-TFPMSM) est proposée pour réaliser la miniaturisation et la dynamique élevée des entraînements électriques dans les robots industriels. Sa conception structurelle et électromagnétique est réalisée. Une étude de conception tolérante aux pannes basée sur la structure double-triphasée est ensuite réalisée selon deux approches pour le DS-HSDR-TFPMSMCompte tenu de la structure tridimensionnelle complexe du DS-HSDR-TFPMSM, la méthode de calcul du champ magnétique de l'entrefer et les performances sont étudiées sur la base de la méthode de transformation de Schwarz-Christoffel. En outre, la conception de l'optimisation du DS-HSDR-TFPMSM est réalisée sur la base du réseau neuronal BP et de l'algorithme d'optimisation multi-objectifs afin d'améliorer ses performances en termes de couple.Sur la base des conceptions accessibles de tolérance aux pannes de DS-HSDR-TFPMSM, la méthode de commande tolérante aux pannes pour la machine synchrone double-triphasée à aimant permanent est étudiée. Tout d'abord, une reconfiguration du courant de référence dans le repère découplé normal basé sur le principe des pertes cuivre minimales et de la plage de fonctionnement maximale du couple est proposée. Ensuite, la contrainte axiale sur le disque du rotor du DS-HSDR-TFPMSM triphasé double dans différents états est analysée. La force axiale synthétique et la distribution de la contrainte axiale sur le disque du rotor des deux types de DS-HSDR-TFPMSM triphasés doubles sont comparées. Enfin, la méthode de contrôle tolérant aux pannes pour les machines électriques à aimant permanent triphasées fonctionnant à grande vitesse est étudiée, dans laquelle les composantes harmoniques du courant de référence sont suivies et contrôlées à grande vitesse en utilisant une méthode basée sur des repères tournants multiples et une autre méthode basée sur des contrôleurs résonant proportionnels. Enfin, les technologies de fabrication et les études expérimentales sont menées pour le prototype DS-HSDR-TFPMSM.

Transverse flux permanent magnet synchronous machine combines the advantages of intrinsically high torque density, the ability to adjust the electromagnetic load independently, flexible structure design, and simple winding structure, enabling it with significant potential for being used as a servo motor in industrial robot applications to achieve the miniaturization of its electric drive. In addition, multiphase winding structure can be used in transverse flux permanent magnet synchronous machine to obtain advantage of fault tolerant ability, which furtherly improves the functional reliability of the electric drive in industrial robots. However, there are still shortcomings and limitations among the existing research on transverse flux permanent magnet synchronous machine and the research on fault tolerance of multiphase machines, which limit their application in the context of the thesisThe main objective of this doctoral thesis is to propose a novel structure transverse flux permanent magnet synchronous machine to improve the characteristics and performances of the industrial robot.Firstly, a dual-stator topology transverse flux permanent magnet synchronous machine combined with hybrid stator core and disk-type rotor (DS-HSDR-TFPMSM) is proposed to realize the miniaturization and high dynamics of the electric drives in industrial robots. Its structural and electromagnetic design is proceeded. A fault tolerant design study based on the dual three-phase structure is carried out for the proposed DS-HSDR-TFPMSM to improve its functional reliability.Considering the complex three-dimensional structure of DS-HSDR-TFPMSM, the calculation method of air-gap magnetic field and performances are investigated based on the Schwarz-Christoffel transformation method. In addition, the optimization design of DS-HSDR-TFPMSM is conducted based on the BP neural network and multi-objective optimization algorithm to improve its torque performance.Based on the accessible fault tolerant designs of DS-HSDR-TFPMSM, the fault tolerant control method for the dual three-phase permanent magnet synchronous machine is investigated. Firstly, the fault tolerant control method by reconfiguring the reference current in the normal decoupled frame based on the principle of minimum copper loss and maximum torque operation range is proposed. Then, the axial stress on the rotor disk of the dual three-phase DS-HSDR-TFPMSM under different states is analyzed. The synthetic axial force and the axial stress distribution on the rotor disk of the two kinds of dual three-phase DS-HSDR-TFPMSMs are compared. Finally, the fault tolerant control method for dual three-phase permanent magnet electric machine operating under high speed is investigated, in which the harmonic components of the reference current are tracked and controlled under high speed by using a multi-reference frame-based method and a proportional resonant controller-based method.