CentraleSupélec THÈSE DE DOCTORAT

236 Pages·2015·10.21 MB·French

N° d’ordre : 2015-13-TH
CentraleSupélec
ECOLE DOCTORALE STITS
« Sciences et Technologies de l’Information des Télécommunications et des Systèmes »
Laboratoire de GeePS – Département Énergie
THÈSE DE DOCTORAT
DOMAINE : SPI
Spécialité : Énergie
Soutenue le 24 juin 2015
par :
Dany PRIETO
Titre de la thèse
Modélisation et optimisation des machines synchro-réluctantes à aimants permanents
et de leur électronique
Composition du jury :
Directeur de thèse : M.Daniel SADARNAC Professeur (CentraleSupélec)
Co-directeur de thèse : M.Philippe DESSANTE Professeur (CentraleSupélec)
Président du jury : M.Claude MARCHAND Professeur (LGEP/Paris Sud)
Rapporteurs : M.Daniel MATT Professeur (Université de Montpellier)
M.EL Hadi ZAÏM Professeur (Polytech Nantes IREENA)
Examinateur : M.Frédéric GILLON Professeur (École Centrale de Lille)
Co-encadrants : M.Jacques SAINT-MICHEL Directeur Scientifique (Leroy-Somer/Angoulême)
M.Jean-Claude VANNIER Professeur (CentraleSupélec)

Remerciements

Aucun de nous ne sait ce que nous savons tous, ensemble.
Euripide

Il y a bien des manières de ne pas réussir, mais la plus sûre est de ne jamais
prendre de risques.
Benjamin FRANKLIN

Remerciements

Tout d’abord, je cite les membres du jury : M. Claude Marchand, le président,
MM. Daniel Matt et El-Hadi Zaïm, les rapporteurs, et M. Frédéric Gillon,
l’examinateur. Je vous remercie pour le temps consacré à la lecture de ce
manuscrit et vos analyses pertinentes.
J’adresse mes sincères remerciements à M. Jean-Claude Vannier, directeur du
département Énergie, et M. Philippe Dessante, mon directeur de thèse, pour
m’avoir accueilli au sein du laboratoire, pour leur aide et leur disponibilité afin
d’affronter les difficultés liées à la thèse.
Je tiens à remercier la société Moteurs Leroy-Somer, et surtout les personnes
qui ont participé au suivi des travaux de thèse. J’exprime ma gratitude à M. Cédric
Plasse, VP Projets et E&D, pour sa confiance liée à la réalisation de cette thèse
CIFRE. J’exprime également ma reconnaissance à M. Jacques Saint-Michel,
Directeur Scientifique, pour avoir partagé toute son expertise du domaine des
machines électriques. Je remercie M. Xavier Jannot, mon tuteur de thèse, et M.
Benjamin Dagusé pour tous les échanges scientifiques, les conseils techniques et
humains et leur aide pendant la rédaction de ce manuscrit. Je remercie M. Mike
McClelland pour son aide lors de cette thèse. Je ne peux pas oublier M. Michel
Labonne, mon maître de stage, tous mes remerciements pour avoir cru en moi et
pour les encouragements lors de ma candidature à la thèse. Je suis honoré de
poursuivre mon parcours professionnel au sein de cette entreprise.
Les lignes suivantes sont pour mes camarades rencontrés au département
durant ces années de thèse. Les anciens : Benjamin, Christophe L, Christophe G,
Mayalen, Nicolas, Pierre, Rachelle, Soukayna et Tanguy, merci pour m’avoir
orienté dès le premier jour à Supélec. Les « moins vieux » : Antoine, Florent,
Ivan, Jad, Julien, Nadim, Paul-Antoine, Paul C, Sarah, Samy, Thomas et Trung.
L’équipe hispanophone : Alex, Gilbert et Carmen. Les représentants de
l’entreprise à Supélec : Alex, Paul A et Teodor, je vous laisse la suite des travaux.
Un énorme remerciement à Stéphanie pour toute l’aide donnée durant ces trois
années, elle est comme « la grande sœur » de tous les doctorants. Je dois
évidemment remercier mes colocataires à Saulx-les-Chartreux : Ivan, Florent,
Mickaël et Romain, pour toutes les soirées réalisées.
Je veux finir en remerciant les personnes les plus importantes, ma famille.
Malgré la distance elles sont toujours présentes. Merci beaucoup pour son plein
soutien.

Modélisation et optimisation des machines synchro-réluctantes à aimants
permanents et de leur électronique

Résumé

Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire
l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est
montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants
permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une
modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement
électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur
est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-
physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects
électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-
physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le
modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de
systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le
dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique.
Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique.
La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées
permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui
répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-
réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel.

Mots clés
Modélisation, optimisation, machines synchro-réluctantes, aimants permanents, interaction convertisseur-
machine, multi-physique, analytique, algorithme d’évolution différentielle, MSAP.

Modelling and Optimisation of the Permanent Magnet Assisted
Synchronous Reluctance Machines and of their Inverter

Abstract

This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the
amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In
the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance
machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to
highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical
modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable
computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They
integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-
physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of
the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this
purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design of two applications by
imposing the constraint of using the same magnetic lamination. On one hand it is an application of fixed speed
and on the other hand an application of electric traction. The optimization method used is a type of differential
evolution optimization. The results of the optimizations realised determine the optimal designs or the optimal
compromise with Pareto front which deal with both applications. Finally, this thesis has placed the permanent
magnet assisted synchronous reluctance machine among structures of machines with great industrial potential.

Keywords
Modelling, optimisation, synchronous reluctance machine, permanent magnets, interaction inverter-
machine, multi-physic, analytical, differential evolution algorithm, PMSM.

Table des matières
Introduction générale ............................................................................. 5
Chapitre I : Étude bibliographique des machines industrielles ......... 9
I.1 Introduction ............................................................................................ 10
I.2 Machines électriques .............................................................................. 11
I.2.1 Machines à courant continu ............................................................ 11
I.2.2 Machines asynchrones .................................................................... 13
I.2.3 Machines synchrones ...................................................................... 15
I.2.4 Discussion des différents types de machines .................................. 23
I.2.5 Conclusion des types de machines .................................................. 26
I.3 Aimants permanents ............................................................................... 26
I.3.1 Principe ........................................................................................... 26
I.3.2 Types d’aimants permanents ........................................................... 29
I.3.3 Contexte économique des aimants permanents .............................. 32
I.3.4 Discussion technico-économique des types d’aimants permanents 35
I.4 Choix de la machine ............................................................................... 35
I.5 Analyse des performances de la MSR-AP ............................................. 38
I.5.1 Ondulations de couple ..................................................................... 38
I.5.2 Pertes fer ......................................................................................... 39
I.5.3 Pilotage sans capteur de position .................................................... 40
I.6 Mise en évidence des paramètres de la MSR-AP .................................. 42
I.7 Conclusion ............................................................................................. 44
Chapitre II : Analyse par éléments finis de la machine synchro-
réluctante assistée d’aimants permanents ............................................... 45
II.1 Introduction ........................................................................................... 46
II.2 Calcul des performances électromagnétiques par éléments finis ......... 47
II.3 Géométrie des machines synchro-réluctantes ....................................... 50
II.4 Influence des aimants permanents ........................................................ 52
II.4.1 Machine synchro-réluctante ........................................................... 52
II.4.2 Machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents ......... 55
II.4.3 Comparaison des performances électromagnétiques des deux
machines ........................................................................................................ 58
II.5 Variation du nombre de pôles ............................................................... 61
II.6 Influence du nombre de barrières .......................................................... 65
II.7 Ondulations de couple ........................................................................... 68
II.7.1 Influence de l’angle de calage ........................................................ 68
II.7.2 Influence de l’angle d’ouverture des barrières de flux ................... 70
II.8 Influence des ponts rotoriques .............................................................. 74
II.8.1 MSR-AP à vide .............................................................................. 75
II.8.2 MSR et MSR-AP en charge ........................................................... 76
II.9 Pilotage sans capteur de position .......................................................... 81
II.9.1 Machine de référence et plan d-q ................................................... 81
II.9.2 Mesure des tensions V et V ......................................................... 82
d q
II.9.3 Calcul des inductances ................................................................... 83
II.9.4 Restriction des points pour le pilotage sans capteur ...................... 85
II.10 Conclusion ........................................................................................... 86
Chapitre III : Modélisation analytique multi-physique ................... 89
III.1 Introduction .......................................................................................... 91
III.2 Modélisation analytique multi-physique de l’onduleur ....................... 92
III.2.1 Modèle de la commande ............................................................... 93
III.2.2 Modélisation énergétique .............................................................. 94
III.2.3 Modélisation thermique ................................................................ 97
III.2.4 Modélisation technico-économique .............................................. 98
III.2.5 Couplage des modèles................................................................... 99
III.2.6 Critère de choix d’un composant .................................................. 99
III.3 Modélisation analytique multi-physique du moteur .......................... 100
III.3.1 Modélisation électromagnétique ................................................. 100
III.3.2 Modélisation électrique ............................................................... 110
III.3.3 Modélisation énergétique ............................................................ 112
III.3.4 Modélisation thermique .............................................................. 124
III.3.5 Modélisation mécanique ............................................................. 137