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Modélisation, conception et réalisation d'un système de traction à moteurs-roues : pour une application hybride série en utilisation hors-route

Côté, Olivier (2015). Modélisation, conception et réalisation d'un système de traction à moteurs-roues : pour une application hybride série en utilisation hors-route. Mémoire. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 353 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Ce travail a pour but de mettre en relief l'ensemble des considérations pour dimensionner et contrôler une chaîne de traction hybride-série à moteurs-roues. Une attention particulière est portée au processus de dimensionnement d'une machine électrique à flux radial à haute densité de couple à aimants permanents. Le document comporte également une large étude sur la conception, le dimensionnement et l'optimisation de l'ensemble des éléments de puissance d'un système de traction hybride à moteurs-roues ainsi que leur stratégie de gestion. L'étude se justifie par une estimation initiale d'un meilleur rendement du système hybride série à moteurs-roues que celui d'une chaîne de traction hybride conventionnelle. L'élaboration d'un cahier des charges du système de traction pour une application hors route est d'abord démystifiée. Ensuite, le modèle analytique de la machine est présenté. Ce modèle considère une configuration de machine à bobinage concentrique, comportant de l'acier silicium à grains orientés (GO) dans la composition des dents du stator et un rotor externe à paroi mince pourvue d'aimants profilés. Le modèle considère également les pertes dans le bobinage, dans les aimants et dans les pièces d'acier du stator et du rotor. Les paramètres électriques du circuit équivalent sont ensuite déterminés pour assurer l'adaptation de la machine à son convertisseur de puissance dont la tension d'alimentation est prédéterminée. Chaque paramètre critique au modèle analytique est validé par des simulations par éléments finis avant et pendant le processus d'optimisation de la machine. Les résultats de cette optimisation sont ensuite présentés. Une méthode de contrôle vectoriel robuste et performante est présentée dans cet ouvrage. La stratégie est basée sur un modèle interne qui assure la conversion des grandeurs électriques en tension face à une demande en courant, de sorte que la machine puisse fonctionner sans boucle de rétroaction autour de valeurs faibles du couple. De plus, l'ouvrage présente plusieurs techniques de réalisation mécanique novatrices pour la fabrication et l'assemblage de la machine électrique. Un algorithme de gestion des éléments de sécurité, de puissance et de stockage d'énergie a également permis de démarrer la phase de réalisation de l'intégration du bus à courant continu (bus CC). L'élaboration d'une séquence de tests du prototype de machine à vide et en charge figure comme l'achèvement du travail de réalisation. Une comparaison du prototype avec les résultats escomptés est présentée. Enfin, un cahier de recommandations présente plusieurs aspects à considérer pour la suite du projet. Les avenues de conception à explorer pour améliorer à la fois la machine et son contrôle y sont également présentées. -- Mot(s) clé(s) en français : Moteur-roue, système de traction, hybride-série, machine synchrone à aimants permanents, contrôle de machine synchrone, dimensionnement, optimisation. -- ABSTRACT: This paper discusses the relevant considerations in sizing and controlling a serial hybrid power system using in-wheel motors. It addresses, in particular, the process of sizing a high-torque direct-drive in-wheel radial flux permanent magnet synchronous machine (PMSM) for a hybrid all-terrain vehicle (ATV). It offers a broad study of the design, sizing, and optimization of the power components of the traction system, as well as techniques for their management. The study is motivated by an expected increase in the efficiency of the serial hybrid traction system using in-wheel motor technology, as compared against conventional hybrid traction systems. The paper first elaborates the mechanical specifications and constraints for the traction system for off-road applications. It then presents the machine's analytical model is presented. This model assumes a concentric winding configuration of the machine, with grain-oriented (GO) silicon steel in the composition of the stator's teeth and a thin external rotor fitted with profiled magnets. The model also takes into account losses in winding, magnets, stator and rotor yokes and teeth.. Electrical parameters of the equivalent machine circuit are determined to adapt the machine to the imposed converter voltage. All critical machine model parameters are validated with finite elements simulations before and during performing the optimisation. Results given by the optimisation process are then presented. This paper also presents a robust and efficient vector control method. This method is based on an internal electrical machine model which ensures the conversion of electical quantities in voltage in response to a demand in current, so that the machine can operate without current feedback for low torque demands. Furthermore, it presents innovative electrical machine manufacturing and assembly methods. An algorithm for the management of safety, power, and energy storage enabled the launch of the implementation phase of the integration. The prototyping work is completed through the development of a series of loaded and unloaded tests. The recommendations section describes certain important considerations for the next phase of the project. Design alternatives to explore in order to improve both the machine and its vector control are also presented in this last section. -- Mot(s) clé(s) en anglais : In-wheel motor, brushless motor, serial hybrid, grain-oriented steel application, synchronous machine control.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse: Chebak, Ahmed
Co-directeur(s) de mémoire/thèse: Méthot, Jean-François
Informations complémentaires: Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître en sciences appliquées (M.Sc.A.).
Mots-clés: Modelisation Conception Realisation Systeme Traction Moteur Roue Hybride
Départements et unités départementales: Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 09 févr. 2017 19:14
Dernière modification: 09 mars 2017 16:38
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1094

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