Design and Optimization of Future Hybrid and Electric Propulsion Systems: An Advanced Tool Integrated in a Complete Workflow to Study Electric Devices

Développement et optimisation des futurs systèmes de propulsion hybride et électrique : un outil avancé et intégré dans une chaîne complète dédiée à l’étude des composants électriques

IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
e-mail: fabrice.le-berr@ifpen.fr - abdenour.abdelli@ifpen.fr

Abstract

Electrification to reduce greenhouse effect gases in transport sector is now well-known as a relevant and future solution studied intensively by the whole actors of the domain. To reach this objective, a tool for design and characterization of electric machines has been developed at IFP Energies nouvelles. This tool, called EMTool, is based on physical equations and is integrated to a complete workflow of simulation tools, as Finite Element Models or System Simulation. This tool offers the possibility to study several types of electric machine topologies: permanent magnet synchronous machine with radial or axial flux, induction machines, etc. This paper presents the main principles of design and the main equations integrated in the EMTool, the methods to evaluate electric machine performances and the validations performed on existing machine. Finally, the position of the EMTool in the simulation tool workflow and application examples are presented, notably by coupling the EMTool with advanced optimization algorithms or finite element models.

Résumé

Le recours à l’électrification pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans le domaine du transport est désormais reconnu comme une solution pertinente et d’avenir, très étudiée par l’ensemble des acteurs du domaine. Dans cet objectif, un outil d’aide au dimensionnement et à la caractérisation de machines électriques a été développé à IFP Energies nouvelles. Cet outil, appelé EMTool, est basé sur les équations physiques du domaine et est intégré à un ensemble d’outils de simulation dédiés à l’étude des groupes motopropulseurs électrifiés, comme les outils de modélisation par éléments finis ou les outils de simulation système. Il permet d’étudier plusieurs types de topologies de machines électriques : machines synchrones à aimants permanents à flux radial ou axial, machines asynchrones, etc. Ce papier présente les grands principes de dimensionnement et les principales équations intégrées à l’EMTool, les méthodes pour évaluer les performances des machines dimensionnées ainsi que les validations effectuées sur une machine existante. Enfin, le positionnement de l’EMTool dans la chaîne d’outils et des exemples d’applications sont exposés, notamment en couplant l’outil à des algorithmes d’optimisation avancés ou à la modélisation par éléments finis.