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Etude du problème inverse en électromagnétisme en vue de la localisation des défauts de désaimantation dans les actionneurs à aimants permanents (An inverse problem analysis to detect demagnetization fault in permanent magnet synchronous machines) | ||
Farooq, Jawad Ahmed - (2008-11-05) / Université de Franche-Comté, Université de Technologie Belfort-Montbéliard (UTBM) - Etude du problème inverse en électromagnétisme en vue de la localisation des défauts de désaimantation dans les actionneurs à aimants permanents en : Français Directeur(s) de thèse: Miraoui, Abdellatif ; Djerdir , Abdesslem Laboratoire : Laboratoire Système et Transports (SeT) Ecole doctorale : SPIM Classification : Sciences de l'ingénieur | ||
Mots-clés : Machine synchrone à aimants permanents, Modélisation par équation de Maxwell, Réseaux des permeances, Eléments finis, Diagnostic des défauts statorique et rotorique, Commande scalaire. Résumé : Ce travail de recherche a porté sur la modélisation des machines synchrones à aimants permanents (MSAP) lors des régimes de fonctionnements défaillants. Deux défauts fréquents et couplés dans ces machines ont été étudiés : la désaimantation des aimants et le court-circuit entre spires. L’objectif est de développer des modèles aidant à la compréhension de ces phénomènes, dans l’optique de réaliser des opérations de diagnostic mais également pour optimiser la conception de ces machines. Concernant le défaut de désaimantation, deux modèles ont été développés. Le premier est du type analytique et est basé sur la résolution des équations du potentiel vecteur dans les régions de la machine (entrefer et aimant). Le deuxième modèle, a été développé à travers la représentation de la machine à l’aide d’un réseau de perméances équivalent (RDPE). L’étude comparative entre ces derniers a montré que le modèle du RDPE est plus précis que le modèle analytique. Cet avantage du RDPE revient au fait que la géométrie réelle de la machine est prise en compte tant dis que la méthode analytique se base sur la simplification de la géométrie (lissage de l’entrefer, pas d’effets de bord). Néanmoins, le modèle analytique garde son intérêt car il offre l’avantage d’être plus rapide à exécuter et plus générique que celui du RDPE. De plus, il peut être facilement ajusté pour améliorer la précision en adaptant simplement, certains de ses harmoniques. Pour le défaut de court-circuit entre spires dans les MSAP, un modèle dynamique a été développé. Les résultats de simulation montrent qu’un court-circuit entre spires produit des ondulations de fréquence double dans le couple et la vitesse et un harmonique d’ordre 3 dans les courants. En se basant sur les modèles de la désaimantation, une technique de détection de défaut des aimants dans les MSAP, a été mise en oeuvre. Il s’agit d’une méthode d’indentification fondée sur un algorithme qui utilise comme entrées les données d’une grandeur électromagnétique de la machine telle que la FEM, pour chercher itérativement la distribution de l’induction rémanente des aimants. Les résultats obtenus montrent que cet algorithme arrive à détecter avec une certaine précision l’endroit des désaimantations. Au niveau du temps de calcul le modèle analytique et beaucoup plus rapide que le modèle RDPE. Après avoir comparé les modèles proposés avec des simulations par éléments finis, une maquette expérimentale a été mise en place afin de valider les résultats obtenus. Des essais expérimentaux sur les défauts de court-circuit ont été réalisés sur une MSAP du type : aimants insérés. Les mesures étaient en bonne corrélation avec ceux donnés par le modèle dynamique et par des simulations éléments finis. A ce jour, une technique de commande scalaire se basant sur la mesure de position à l’aide d’un résolveur a été implantée dans la maquette expérimentale. Cette dernière permet d’effectuer les tests de court-circuit sur des MSAP jusqu’à 2kW de puissance. Il reste à conduire des mesures sur une machine présentant le défaut de désaimantation, en abimant par exemple l’un des pôles de la machine actuelle. Résumé (anglais) : The research work presented in this manuscript is mainly focused on the development of models that can incorporate different faults for a permanent magnet synchronous machine (PMSM). Two frequently occurring and coupled faults were investigated : the problem of demagnetization of magnets and inter-turn short circuit in stator coils. The objective of developing models is not only to study the fault behavior for diagnostic operations but also for the design optimization. Concerning the demagnetization fault, two models were developed. The first one is an analytical model which is based on the resolution of vector potential equations in different regions (airgap and magnet). The second one is based on the permeance network method (PNM). A comparative study shows that the PNM is more precise than the analytical one. This advantage comes from the fact that PNM is based on the real geometrical parameters while the analytical method includes a number of simplifications (e.g. uniform airgap, slotless stator). However, the analytical model has an advantage of low simulation times. In addition, the analytical model can be adjusted to increase its precision by modifying the harmonic contents. For the inter-turn short circuit fault in PMSM, a dynamic model was developed. The simulation results show that an inter-turn short circuit fault produces oscillations of double frequency in the torque and speed and appearance of a 3rd order harmonic in the stator currents. Using the models for the demagnetization fault, a methodology to detect a magnet fault in PMSM was proposed. It is a parameter identification approach based on an algorithm which uses some external measurement data (e.g. EMF) to search iteratively the distribution of remanant induction in the magnets. The results show that the algorithm is able to detect the demagnetization fault location. Concerning the simulation time the analytical model is fast compared to the PNM. After comparing the model results with the finite element simulations, a test bench was also realized to validate them experimentally. Practical test on the inter-turn short circuit fault were performed on a PMSM motor with inset magnet type rotor. The measurement results are in good concordance with the results of the model and finite element simulations. To undergo these short circuit tests a scalar type control scheme was also developed and implemented. This control algorithm includes the program developed for the resolver position sensor. The tests on the demagnetization fault still remain which can be carried out by damaging one or more poles of the machine. Identifiant : UFC-355 |
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