Modeling and optimal design of brushless motors with outer rotor - Application to the in-wheel motor
Modélisation et conception optimale de moteurs sans balais à structure inversée - Application au moteur-roue
Résumé
For 15 years, the electric vehicle is again an important issue in the field of electrical engineering. The goal now is to design real cars taking part of the interest of electric energy management flexibility. In this regard, we are interested in motor-wheel because it has several advantages, in particular the compactness of motor function. But to design such a system requires to satisfy many constraints. Among them, we must model the whole system and realize a compromise between the motor mass and the performances to maximize the autonomy of the system. The structure of motor-wheel used in this work is a permanent magnet synchronous motor with Nd-Fe-B permanent magnets, with outer rotor, with trapezoidal electromotive forces and fed by an voltage source inverter providing 120° rectangular currents, because this structure has not only a high specific torque but also a good efficiency. To design this system, we proposed an original and effective procedure with two steps: - Optimization of the structure on the basis of analytical models; - Validation of the optimal design with 2D finite element analyses. The overall approach (battery, inverter and motor) requires analytical and numerical models in the three physical fields: magnetic, electromechanical and thermal fields. The optimization procedure uses the Pascosma software, developed by the Laboratory of Electrical Engineering of Grenoble, to automatically program a design tool for in-wheel motors. The models were validated on both existing 30 kW and 200 W brushless motors and the methodology design enabled to optimize an in-wheel motor for bycycle reducing the motor wieght with a factor of 50% and increasing the efficiency of 3%. yield three points.
Depuis une quinzaine d'années, le véhicule électrique est redevenu une problématique importante dans le domaine du génie électrique. L'objectif est maintenant de concevoir de vrais véhicules électriques exploitant notamment la grande souplesse de gestion de cette énergie. Dans cette optique, nous nous sommes intéressé au moteur-roue car il présente plusieurs avantages, en particulier de compacité de la fonction motrice. Cependant la conception d'un tel système impose de très nombreuses contraintes. Entre autres, il faut modéliser le système dans sa globalité et réaliser un compromis entre la masse du moteur et son rendement afin d'optimiser l'autonomie du système. La structure de moteur-roue retenue dans ce travail est un moteur synchrone à aimants permanents Nd-Fe-B, à structure inversée, à forces électromotrices trapézoïdales et alimenté par un onduleur de tension produisant des créneaux de courant, car cette structure présente à la fois un fort couple massique mais aussi un bon rendement. Pour dimensionner ce système, nous avons proposé une procédure originale et efficace comportant deux phases : − une optimisation de structure sur la base de modèles analytiques ; − une validation du dimensionnement optimal à l'aide d'une analyse fine par des modèles numériques. L'approche globale (batterie, convertisseur et moteur) nécessite des modèles analytiques et numériques de l'ensemble du système dans les trois domaines magnétiques, électromécaniques et thermiques. La procédure d'optimisation utilise le logiciel Pascosma, développé par le Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, pour programmer automatiquement un logiciel de dimensionnement du moteur-roue modélisé. Les modèles ont été validés sur des moteurs de puissances 30 kW et 200 W et la méthodologie de conception a permis l'amélioration d'un moteur d'assistance au pédalage intégré dans le moyeu d'une roue de vélo, nous avons pu diminuer la masse du moteur de près de 50 % tout en améliorant son rendement de trois points.
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