Modeling of losses in a permanent magnet machine fed by a PWM supply

Pour respecter les contraintes sur l’efficacité pour une machine électrique, il est important de faire une évaluation précise des pertes. Dans le cas des machines à aimants permanents alimentées par un onduleur à MLI, le contenu harmonique haute fréquence lié à la modulation peut rajouter des pertes additionnelles dans la machine que les modèles classiques ont tendance à négliger. Le développement de nouveaux modèles de pertes qui tiennent compte des pertes additionnelles, va permettre d’améliorer des méthodes d’analyse et de conception de machines électriques. Dans ce travail de recherche, différentes méthodes pour estimer les pertes dans les machines synchrones à aimants permanents, y compris les pertes mécaniques, les pertes magnétiques et les pertes cuivre sont présentées. Une nouvelle expression pour estimer les pertes magnétiques dans les tôles en tenant compte de l’effet de peau généré par des courants harmoniques de haute fréquence est élaborée. Concernant les pertes d’hystérésis, un algorithme pour l’identification de cycles mineurs est présenté. Un autre modèle analytique pour l’estimation des pertes MLI dans le stator de la machine à aimants permanents et une nouvelle approche pour l’estimation directe des pertes par courant de Foucault dans les tôles par calcul de champ en 2D sont aussi développés. La méthodologie pour la conception d’une machine à aimants permanents montés en surface est brièvement décrite. Un prototype a été conçu et mise en oeuvre pour mesurer les pertes dans différentes conditions de fonctionnement et valider les modèles de pertes. Différents modèles pour les pertes magnétiques sont comparés afin de sélectionner la méthode la plus appropriée dans le domaine du temps ou de la fréquence. Cette méthode est ensuite validée pour un large éventail de conditions de fonctionnement. Les pertes dans deux rotors à aimants permanents (avec et sans segmentation des aimants) sont comparés. L’effet de la segmentation des aimants et le choix du matériel pour la culasse du rotor sont aussi analysés. Les résultats sont ensuite utilisés pour valider les performances d’un modèle analytique pour estimer les pertes par courant de Foucault dans les aimants permanents.In order to respect the constraints for efficiency in an electrical machine, losses should be accurately estimated. In the case of a permanent magnet machine fed by a PWM supply, the high frequency harmonic content of the current (associated with the modulation scheme), may generate additional losses in the machine which the conventional models tend to overlook. Development of new models which may take account of these additional losses will allow us to improve the analysis and design of the electrical machines. In this work various models for the prediction of losses in a permanent magnet machine including the mechanical losses, copper losses and magnetic losses are presented. A new loss expression for taking account of the skin effect in a laminated magnetic material due to high frequency harmonic content of the stator current is developed. Regarding hysteresis losses, an algorithm for the identification of the minor hysteresis cycles is presented. An analytical model for the estimation of the PWM losses in the stator of the permanent magnet machine, and a new method for the direct estimation of eddy current losses in the lamination material by 2D-FE analysis are also developed. The design methodology for the design of a surface mounted permanent magnet machine is briefly described. A prototype machine is designed and realised to measure the losses in a variety of operating conditions and validate the loss models. Various models for magnetic losses are compared in order to find the most appropriate method in the time or frequency domains. The method which offers the best performance is then validated in a wide range of operating conditions. The losses in two PM rotors (with or without magnet segmentation) are compared and the effect of magnet segmentation and the choice of rotor yoke material are investigated by 2D FE analysis. These results are also used to evaluate the performance of an analytical model for the prediction of eddy current losses in the rotor magnets