Design Procedure of Bearingless High-speed Switched Reluctance Motors

Auteurs : Li Chen, Wilfried Hofmann

Laboratoire : Department of Electrical Machines and Drives, Technische Universität Dresden

Parution : SPEEDAM 2010, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion

Résumé :

Dans cet article, les auteurs présentent la modélisation et la réalisation de la partie active d’un palier magnétique intégré dans la structure d’une machine à réluctance variable. La partie mesure est classique. Le deuxième palier radial est un roulement à billes classique. Les auteurs utilisent une machine à réluctance variable 8-6. Le principe d’alimentation en courant est présenté grâce à la figure 1, ci-dessous :

En plus du courant permettant de crée le couple, deux bobinages (et non pas deux phases) sont alimentés simultanément pour créer une force d’attraction (uniquement) selon deux axes à 90°.

Dans la table 1, reproduite ci-dessus, sont présentées les bobines actives selon la position du rotor.

Les équations donnant le couple et les forces de lévitation sont présentées.

Le principe mécanique est présenté à la figure 4 (ci-dessous) :

On peut voir qu’il y a deux roulements à billes. Celui de gauche est monté sur l’axe du rotor, tandis qu’avec celui de droite un entrefer g_c est autorisé. Compte tenu des caractéristique du roulement à billes de gauche, la valeur de 0,15 mm est choisi pour g_c (0,76 mm au max, car l’angle θ ne peut pas dépasser 16’).

Des éléments pour le dimensionnement électromagnétique sont proposés.

La partie V, aborde les simulations par éléments finis faites avec ansys. Tout d’abord l’inductance, mais le plus intéressant est la figure 8, où sont représentés les courants des bobines 1 2 3 4 nécessaires à la création d’une force radiale de 20 N selon l’axe y, tandis que celle selon l’axe x est nulle.  A la figure 9, sont présentés les courants des quatre autres bobines. Un convertisseur bidirectionnel  en courant est nécessaire. A la figure 10, sont présentées les forces radiales, selon les deux axes x et y, simulées.

Critiques :

•  Sujet original
• La partie expérimentale doit suivre
• Quelle est la conséquence des ondulations de couples ?
• Quelle est la conséquence des forces radiales non constantes ?
• 20 N sont ils suffisant ?
• A haute vitesse, 30 000 tr/min, soit 3 kHz électrique, est il possible d’asservir les courants ?

Références bibliographiques

[1] R. Bosch, “Development of a bearingless electric motor,” in Proc. ICEM ’88, vol. 3, pp. 373-375.

[2] C. M. Stephens, “Fault detection and management system for fault tolerant switched reluctance motor drives,” in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 1989, pp. 574–578.

[3] M. Takemoto, H. Suzuki, A. Chiba, T. Fukao, and M. A. Rahman, “Improved analysis of a bearingless switched reluctance motor,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 37, pp. 26–34, Jan./Feb. 2001.

[4] L. Chen, W. Hofmann, “Analytically computing winding currents to generate torque and levitation force of a new bearingless reluctance motor,” EPE-PEMC 2006., pp. 1058-1063, Portroz Slovenia, September/Octorber 2006.

[6] T, Schneider, A. Binder, L. Chen, “Design procedure of bearingless high-speed permanent magnet motors,” ISEF 2005, September 2005.

Pour aller plus loin : 
Magnetic Bearings and Bearingless Drives
By
Akira Chiba
Tadashi Fukao
Osamu Ichikawa
Masahide Oshima
Masatugu Takemoto, Tokyo University of Science and Musashi Institute of Technology, Japan
David Dorrell, Senior Lecturer, University of Glasgow, UK

Description
The application of bearingless drives is emerging as an important technique in the areas of high-speed machinery and motion-control, and this book aims to provide a thorough grounding in the principles behind this cutting-edge technology. Basic principles are described in detail with practical examples to aid understanding, and the different types of bearingless drives are introduced, along with coverage of test machines and applications. Aimed at practising electrical and mechanical engineers and advanced students, Magnetic Bearings and Bearingless Drives provides an essential guide to an area of engineering previously only fully covered by large numbers of academic papers.