François, Guillaume
[UCL]
Flexible PCB technology allows to develop new types of windings to improve the performance of electrical motors. By replacing the usual wire winding with a flexible printed circuit board, it becomes possible to design copper tracks with complex shapes which was not the case in the past. Therefore, these additional degrees of freedom can be exploited for motor optimization. Specifically, this work focuses on the case of slotless micromotors with perma- nent magnets, for which flexible PCB are particularly well suited. The choice to use magnets is motivated by the developments of rare-earth materials which allow to obtain a high power density. The choice of the slotless topology is driven by the fact that, on the one hand, this topology leaves room for a completely free arrangement of the conductors in the airgap, and on the other hand, the absence of ferromagnetic teeth presents numerous advantages, for example, reduction of iron losses, cogging torque, vibrations or even of the noise. Although the PCB winding outperforms the classical wire winding at low speeds, it is more prone to eddy currents as the motor speed increases. Indeed, for the same conductor cross-section, the printed copper tracks are wider than classical wires and therefore larger conductive areas are exposed to a perpendicular magnetic flux varying over time. The objective of the thesis is therefore to model the eddy current losses in order to be able to estimate and reduce their impact during motor design and optimization process. The first part of this thesis deals with the modeling of the eddy currents. A refer- ence model using 3D finite elements and based on a vector potential formulation of magnetodynamics is primary explained. Starting from this model, it is shown that, knowing the airgap permanent magnets magnetic field, it is possible to estimate the eddy current losses using a 2D FEM model which is much faster and requires much less computational efforts. This model, in addition to being fast and accurate, has the interesting feature of also taking into account the shape and skewing of the conductors because it runs in the surface of printed circuit board. Subsequently, an analytical model is also proposed in order to estimate the eddy current losses in a fraction of the time. This analytical model allows us to take into account these losses in the context of an optimization process that would require a large number of evaluations. In order to validate the proposed models, an experimental test bench was set up. The second part of this thesis implements the models in order to study, first the impact of these losses on the optimal design of a motor for a given operating point, second the relevance of using finite element methods for optimization. It has been shown that eddy current losses have a significant impact on the winding design when using PCB. In addition to the above, a first important result is that the main adjustment variable is the width of the conductor tracks, when one wishes to change the operating point of a motor. A second observation indicates that it is possible to approach an almost optimal motor design with only the help of analytical models. The third part of this thesis proposes a strategy to reduce the eddy current losses. A simple reduction of the width of the conductors is not sufficient because it goes hand in hand with an increase in the number of tracks composing the winding. But in this case, the supply voltage being limited by the power electronics, it would be necessary to put copper tracks in parallel at the expense of possible recirculation currents. The main idea adopted to tackle this problem consists in drawing insulat- ing slits along large copper tracks. This amounts to carry out local parallelizations without impacting the motor supply voltage. This work highlighted the optimal slit configurations and showed that they were optimal for a range of operating points.
(fre)
La technologie des PCB flexibles permet de développer de nouveaux types de bobinages qui améliorent les performances des moteurs électriques. On peut en effet remplacer le bobinage filaire habituel par un circuit imprimé, sur lequel il est possible de dessiner des pistes de cuivre aux formes très variées, ce qui amène de nouveaux degrés de liberté exploitables pour l’optimisation des moteurs. Ce travail se concentre plus précisément sur le cas des petits moteurs synchrones à aimants permanents avec entrefer lisse, pour lesquels les PCB flexibles sont particulièrement bien adaptés. Le choix d’utiliser des aimants se justifie par le développement des terres rares qui permettent maintenant d’obtenir une grande densité d’énergie. Le choix d’une topologie avec un entrefer lisse procure de nombreux avantages et est guidé par le fait que, d’une part elle laisse la place à un arrangement des conducteurs complètement libre, et que d’autre part elle permet la réduction des pertes fer, du couple de dentures, des vibrations ou encore du bruit, grâce à l’absence de dents ferromagnétiques. Bien que les bobinages sur PCB aient démontré leur efficacité à faible vitesse, on y observe rapidement l’apparition de courants induits lorsque la vitesse du moteur augmente. Car à même section de conducteur, les pistes de cuivre imprimées sont plus larges que le fil que l’on retrouve dans des bobinages standards et par con- séquent de plus grandes surfaces conductrices sont exposées perpendiculairement au champ magnétique des aimants en rotation. L’objectif principal de la thèse est donc de modéliser les pertes par courants in- duits pour les estimer et réduire leur impact lors de la conception et de l’optimisation des moteurs. La première partie de la thèse concerne la modélisation de ces pertes. Un modèle de départ utilisant des éléments finis 3D et, s’appuyant sur une formulation de la magnétodynamique en potentiel vecteur, est présenté. Partant de ce modèle de référence, dès lors que l’on connait l’expression du champ magnétique induit par les aimants permanents, on montre qu’il est possible d’estimer les pertes par courants induits à l’aide d’un modèle 2D FEM de façon beaucoup plus rapide et moins couteuse en temps de calcul. Cette réduction du coût de calcul permet entre autres de modéliser un bobinage de moteur au complet et d’y observer l’évolution des courants induits. Ce modèle, en plus d’être rapide et précis, a la particularité intéressante de prendre aussi en compte la forme et la topologie des conducteurs. Par la suite un modèle analytique est également proposé afin de disposer d’un outil capable d’estimer les pertes par courants induits en un temps encore plus réduit. Ce modèle analytique nous donne la possibilité de prendre en compte ces pertes dans le cadre d’une procédure d’optimisation qui demanderait un très grand nombre d’évaluations. Afin de valider les modèles proposés, un banc d’essai expérimental a été mis en place. La deuxième partie de la thèse met en oeuvre les différents modèles créés afin d’étudier, d’une part l’impact de ces pertes sur le design optimal d’un moteur selon son point de fonctionnement donné et, d’autre part la pertinence d’utiliser des modèles éléments finis pour l’optimisation d’un moteur. En plus de confirmer que les pertes par courants induits sont essentielles à prendre en compte dans le cas de bobinages PCB, un premier résultat montre que la principale variable d’ajustement lorsque l’on souhaite changer le point de fonctionnement du moteur, est la largeur des pistes conductrices. Une seconde observation indique qu’il est possible de tendre vers une conception presque optimale uniquement à l’aide de modèles analytiques. La troisième partie de la thèse propose une stratégie permettant de limiter les pertes par courants induits. Une simple diminution de la largeur des conducteurs n’est pas suffisant car elle va de pair avec une augmentation du nombre de spires du bobinage. Or dans ce cas, la tension d’alimentation étant limitée par l’électronique de puissance, cela impliquerait de mettre des spires en parallèle au détriment d’éventuels courants de recirculation. La solution suggérée pour résoudre ce problème est de dessiner des coupures isolantes dans les pistes de cuivre de la façon la plus adéquate possible. Cela revient à réaliser des parallélisations à une échelle plus locale, sans impacter la tension d’alimentation du moteur. Ce travail a mis en évidence les configurations optimales pour ces coupures et a montré qu’elles l’étaient pour toute une gamme de points de fonctionnement.
Bibliographic reference |
François, Guillaume. Study of eddy current losses in printed windings for the optimization of slotless permanent magnet machines. Prom. : Dehez, Bruno |
Permanent URL |
http://hdl.handle.net/2078.1/263444 |