Optimization of synchronous reluctance motor design and reduction of torque ripple by harmonic injection

Chapter 1 introduces the electrical machine in the traction system of the electric vehicle and the main challenges encountered and trends. The SynRM will be also introduced for a VSD application with the several limitations it faces on the whole operation diagram and in particular on its torque-speed envelope. Chapter 2 proposes an analytical design procedure of the SynRM rotor that can be adapted to different rated power. The design procedure is based on the flux lines in a 2 General Introduction solid rotor and the uniformity of the field in the rotor in order to deliver an important machine torque density. This design will be applied to a specific case and compared to another SynRM rotor design. The study of several elements like the ribs and bridges that hold the structure of the rotor and keeps it mechanically strong will be presented as well. A final design is proposed at the end of the chapter and Finite Elements (FE) simulations are used to identify the performance of the SynRM. Chapter 3 shows a parametric optimization study of the SynRM in order to enhance its performance, in particular, the torque ripple. Therefore, an optimization problem is formalized and treated in order to obtain a better performing machine with lower torque ripple without impacting significantly the other performance criteria of the machine like the torque density and the saliency ratio. At the end of the optimization study, a design is proposed and compared with the design obtained from the analytical procedure in chapter 2. Chapter 4 deals with the harmonics injection in the phase currents of the SynRM and their impact on the machine average torque and the torque ripple. A general m-phase machine will be used to introduce the current harmonics interaction with the inductance spacial harmonics. Afterwards, the harmonics injection will be applied in the case 2-phase machine and the results show that the harmonics injection have a positive impact in reducing the machine torque ripple. Then, the control issues of injecting harmonics in the phase currents will be presented and the controllers will be synthesized and evaluated using a developed machine model. Chapter 5 validates experimentally the analytical design procedure and the parametric optimization for the SynRM rotor design. At first, the test bench is presented and the machine is characterized. The performance envelope is validated afterwards and the designs based on the analytical procedure and the optimization study are compared. Finally, the experimental results of the harmonics injection in the phase current are shown. Chapter 6 proposes a SynRM design for a traction application. First, the electromagnetic specifications linked to traction application are shown. Then, a general optimization method that handles the rotor and the stator is proposed to optimize the machine torque density at a constant current density. The variation of the machine length and the number of conductors is studied in order to obtain a machine that meets the specifications needed.

Il Capitolo 1 introduce la macchina elettrica nel sistema di trazione dell'elettrico veicolo e le principali sfide incontrate e tendenze. Il SynRM sarà anche introdotto per un'applicazione VSD con le diverse limitazioni che deve affrontare nel complesso diagramma di funzionamento e in particolare sul suo inviluppo coppia-velocità. Il Capitolo 2 propone una procedura di progettazione analitica del rotore SynRM che può essere adattato alla diversa potenza nominale. La procedura di progettazione si basa sulle linee di flusso in un 2 Introduzione generale rotore solido e l'uniformità del campo nel rotore al fine di fornire un importante densità di coppia della macchina. Questo design verrà applicato a un caso specifico e confrontato con un altro design del rotore SynRM. Lo studio di diversi elementi come le costole e ponti che tenere la struttura del rotore e mantiene meccanicamente forte sarà presentato così. Un progetto finale è proposto alla fine del capitolo ed elementi finiti (FE) le simulazioni vengono utilizzate per identificare le prestazioni del SynRM. Il Capitolo 3 mostra uno studio di ottimizzazione parametrica del SynRM al fine di migliorare le sue prestazioni, in particolare, l'ondulazione della coppia. Pertanto, un problema di ottimizzazione viene formalizzato e trattato al fine di ottenere una macchina più performante con ondulazione di coppia senza incidere significativamente sugli altri criteri di prestazione del macchina come la densità di coppia e il rapporto di salienza. Alla fine dell'ottimizzazione Studio, viene proposto un disegno e confrontato con il disegno ottenuto dall'analisi procedura di cui al Capitolo 2. Il Capitolo 4 riguarda l'iniezione di armoniche nelle correnti di fase del SynRM e il loro impatto sulla coppia media della macchina e l'ondulazione della coppia. Generale la macchina di m-fase sarà usata per introdurre l'interazione corrente delle armoniche con armoniche spaziali di induttanza. Successivamente, l'iniezione di armoniche verrà applicata in la macchina di Caso 2-Fase ed i risultati mostrano che l'iniezione delle armoniche ha un impatto positivo nel ridurre l'ondulazione della coppia della macchina. Quindi, i problemi di controllo di verranno presentate le armoniche iniettabili nelle correnti di fase e i controllori saranno sintetizzato e valutato utilizzando un modello di macchina sviluppato. Il Capitolo 5 Convalida sperimentalmente la procedura di progettazione analitica e parametrica ottimizzazione per la progettazione del rotore SynRM. All'inizio viene presentato il Banco di prova e la macchina è caratterizzata. L'inviluppo delle prestazioni viene convalidato in seguito e i progetti basati sulla procedura analitica e lo studio di ottimizzazione sono comparato. Infine, i risultati sperimentali dell'iniezione di armoniche nella fase corrente sono mostrati. Il Capitolo 6 propone un design SynRM per un'applicazione di trazione. In primo luogo, l'elettromagnetico sono mostrate le specifiche legate all'applicazione della trazione. Poi, un generale metodo di ottimizzazione che gestisce il rotore e lo statore si propone di ottimizzare il densità di coppia della macchina ad una densità di corrente costante. La variazione della macchina la lunghezza e il numero di conduttori sono studiati per ottenere una macchina che soddisfa le specifiche necessarie.