Cette thèse est consacrée à l'évaluation et l'amélioration des performances de la machine synchrone à réluctance variable pour des applications à vitesse variable et plus particulièrement des applications automobiles. Les deux axes de développement sont la conception de la machine et l'injection des harmoniques de courants de ligne. Dans le design de ce type de machine la définition du rotor constitue un point central de la conception, les performances de la machine étant fortement tributaires de la forme et du nombre des barrières de flux et des ponts. Dans ce contexte, un modèle analytique de dimensionnement du rotor a été développé. Ce modèle permet de définir géométriquement les barrières de flux afin d'obtenir une meilleure canalisation du flux dans le rotor. Parallèlement, des études comparatives ont permis de mieux dimensionner les ponts qui permettent la tenue mécanique du rotor. Une étude de conception assistée par ordinateur basée sur un problème d'optimisation paramétrique est aussi présentée. Trois familles des algorithmes d'optimisation sont évaluées pour la procédure d'optimisation : un algorithme à base de gradient (algorithme de Newton Quasi), un algorithme non-évolutionnaire sur la base de non-gradient (Nelder Mead Simplex) et un algorithme évolutif sur la base de non-gradient (algorithme génétique). Les résultats issus de cette étude ont permis de dimensionner 2 prototypes de machines d'un couple nominal de 2 $Nm$ pour une vitesse de 3000 $tr/min$. Ces prototypes ont été testés sur un banc spécifique et montré l'intérêt de la méthode d'optimisation adaptée. Le deuxième axe d'études de la thèse est l'injection d'harmoniques dans les courants de ligne. L'interaction des harmoniques de courant avec les harmoniques spatiales des inductances est étudiée et formalisée pour une machine à m-phases puis est évalué dans le cas particulier d'une machine à deux phases. Cette étude montre l'avantage de l'injection d'harmoniques dans la réduction de l'ondulation de couple de la machine. Un design d'une machine est finalement effectué pour une application automobile sur la base de l'optimisation paramétrique du stator et du rotor. Cette conception est évaluée sur une application de traction à puissance moyenne. |
This thesis is dedicated to the evaluation and the improvement of the synchronous reluctance machine performance for variable speed drive applications in general and for automotive applications in particular. The two axes of development are the machine design and the current harmonics injection in the phase currents. The rotor is an important element in the machine design and a particular interest is dedicated to the design and evaluation of the rotor for enhancing the machine performance. An analytical procedure is proposed in the thesis to design the rotor and other elements like the ribs and the bridges that maintain the rotor mechanically strong as well as the q-axis insulation ratio (air-to-steel ratio) are studied. A computer-aided design study based on a parametric optimization problem is presented in the thesis.
The three families of the optimization algorithms are evaluated for the optimization procedure: a gradient-based algorithm (Quasi Newton Algorithm), a non-gradient based non-evolutionary algorithm (Nelder Mead Simplex) and a non-gradient based evolutionary algorithm (Genetic Algorithm). The machine designs based on the analytical procedure and the optimization procedure are both fabricated and tested on a test bench. The second axis of study of the thesis is the harmonics injection in the phase currents of the synchronous reluctance machine. The interaction of current harmonics with the spatial harmonics of the inductance is studied and formalized for a m-phase machine. Then, the harmonics injection concept is evaluated in the particular case of a 2-phase machine. This study shows the benefit of harmonics injection in the reduction of the machine torque ripple. A synchronous design is finally developed for an automotive application based on parametric optimization of the stator and rotor. This design is evaluated for the electromagnetic specifications imposed by a mid-power traction application. |