Conception d'un moteur rapide a aimants permanents

401 Pages·2016·25.41 MB·English

by  Frédéric Dubas

Année 2006 N° d'ordre : 94

Laboratoire de Recherche en Électronique, Électrotechnique et Système (L2ES)
Unité mixte de recherche de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM) et
de l'Université de Franche-Comté (UFC) – EA 3898

THÈSE DE DOCTORAT

présentée à

l'UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie de l'UFC

en vue d'obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE FRANCHE-COMTÉ
EN
SCIENCES POUR l'INGÉNIEUR

par

Frédéric DUBAS

CONCEPTION
D'UN MOTEUR RAPIDE À AIMANTS PERMANENTS
POUR L'ENTRAÎNEMENT DE COMPRESSEURS
DE PILES À COMBUSTIBLE

soutenue publiquement le 5 Décembre 2006 devant le jury composé de :

Président : M. Adel RAZEK

Rapporteur : M. Mohamed GABSI
Rapporteur : M. Laurent KRÄHENBÜHL

Examinateur : M. Bernard DAVAT
Examinateur : M. Christophe ESPANET
Examinateur : M. Abdellatif MIRAOUI

Année 2006 N° d'ordre : 94

Laboratoire de Recherche en Électronique, Électrotechnique et Système (L2ES)
Unité mixte de recherche de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM) et
de l'Université de Franche-Comté (UFC) – EA 3898

THÈSE DE DOCTORAT

présentée à

l'UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie de l'UFC

en vue d'obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE FRANCHE-COMTÉ
EN
SCIENCES POUR l'INGÉNIEUR

par

Frédéric DUBAS

CONCEPTION
D'UN MOTEUR RAPIDE À AIMANTS PERMANENTS
POUR L'ENTRAÎNEMENT DE COMPRESSEURS
DE PILES À COMBUSTIBLE

soutenue publiquement le 5 Décembre 2006 devant le jury composé de :

Président : M. Adel RAZEK

Rapporteur : M. Mohamed GABSI
Rapporteur : M. Laurent KRÄHENBÜHL

Examinateur : M. Bernard DAVAT
Examinateur : M. Christophe ESPANET
Examinateur : M. Abdellatif MIRAOUI

Tables des matières.

- TABLE DES MATIÈRES -
TABLE DES MATIÈRES...............................................................................i
LISTE DES FIGURES ................................................................................ v
LISTE DES TABLEAUX..............................................................................xv
AVANT-PROPOS .................................................................................xix
NOMENCLATURE................................................................................xxi
VERSION ABRÉGÉE .............................................................................xxxi
INTRODUCTION GÉNÉRALE .....................................................................1
I. Cadre général de la thèse et remarques préliminaires .....................................1
II. Structure de la thèse......................................................................................2
CHAPITRE 1 : CONTEXTE ET OBJECTIF DE LA THÈSE......................................5
Table des matières.............................................................................................7
I. Contexte applicatif : Motorisation de compresseurs pour le système pile à
combustible.......................................................................................................9
I.1. Description du système pile à combustible......................................................... 9
I.2. Groupe moto-compresseur pour le système pile à combustible......................... 16
I.3. Cahier des charges de l'actionneur électrique pour compresseurs de piles à
combustible.............................................................................................................. 17
II. Contexte méthodologie : Conception en génie électrique ..............................19
II.1. Introduction .................................................................................................. 19
II.2. Processus de conception................................................................................ 19
II.3. Outils d'aide à la conception en vue de l'amélioration de son efficacité ............ 21
II.4. Modèles d'aide au dimensionnement par optimisation..................................... 23
II.5. Méthodes d'optimisation au service du dimensionnement ................................ 25
II.6. Démarche retenue pour la méthodologie de conception pour la motorisation de
compresseurs pour le système pile à combustible ....................................................... 29

i
Table des matières.

CHAPITRE 2 : DÉVELOPPEMENT D'UN MODÈLE ANALYTIQUE POUR LES MACHINES
SYNCHRONES À AIMANTS PERMANENTS SANS PIÈCES POLAIRES À INDUCTEUR
INTÉRIEUR OU EXTÉRIEUR.......................................................................31
Table des matières...........................................................................................33
I. Introduction.................................................................................................36
II. Modélisation géométrique des structures étudiées.........................................37
II.1. Introduction .................................................................................................. 37
II.2. Définition géométrique.................................................................................. 37
II.3. Définition de l'inducteur................................................................................. 38
II.4. Définition de l'induit denté ............................................................................. 39
II.5. Définition de l'entrefer réel............................................................................. 43
II.6. Définition de la masse totale des parties actives.............................................. 43
II.7. Définition du moment d'inertie des masses tournantes..................................... 43
III. Modélisation magnéto-thermique des matériaux magnétiques......................44
III.1. Introduction.................................................................................................. 44
III.2. Généralités.................................................................................................. 44
III.3. Classification................................................................................................ 45
III.4. Modélisation magnéto-thermique des aimants permanents............................. 45
III.5. Modélisation magnéto-thermique des matériaux ferromagnétiques doux......... 52
IV. Modélisation de la répartition des courants de l'induit..................................54
IV.1. Introduction ................................................................................................. 54
IV.2. Décomposition harmonique de la répartition des courants de l'induit .............. 55
V. Modélisation électromagnétique des structures étudiées................................60
V.1. Introduction.................................................................................................. 60
V.2. Équations aux dérivées partielles générales .................................................... 62
V.3. Équations aux dérivées partielles générales appliquées aux structures étudiées....66
V.4. Résolution des équations aux dérivées partielles générales appliquées aux
structures étudiées..................................................................................................... 81
VI. Conclusion................................................................................................97
CHAPITRE 3 : DÉTERMINATION ANALYTIQUE DES GRANDEURS LOCALES ET
INTÉGRALES DES MACHINES SYNCHRONES À AIMANTS PERMANENTS SANS PIÈCES
POLAIRES À INDUCTEUR INTÉRIEUR OU EXTÉRIEUR......................................101
Table des matières.........................................................................................103
I. Introduction...............................................................................................105
II. Représentation des grandeurs locales dans les structures étudiées................105
II.1. Introduction ................................................................................................ 105
II.2. Induction magnétique totale dans chaque région d'étude............................... 105

ii
Tables des matières.

II.3. Champ magnétique total dans chaque région d'étude................................... 128
II.4. Grandeurs locales déterminées à partir du théorème de Faraday et de la loi
d'Ohm................................................................................................................... 136
III. Représentation des grandeurs intégrales dans les structures étudiées...........140
III.1. Introduction................................................................................................ 140
III.2. Flux magnétique totalisé traversant une phase quelconque du bobinage de
l'induit.................................................................................................................... 141
III.3. Flux magnétique totalisé dans l'induit denté.................................................. 150
III.4. Couple électromagnétique des structures étudiées........................................ 162
IV. Représentation des grandeurs électromagnétiques à partir des grandeurs
intégrales......................................................................................................171
IV.1. Introduction ............................................................................................... 171
IV.2. Force électromotrice induite dans une phase quelconque ............................. 172
IV.3. Les différentes inductances dans les structures étudiées................................. 174
V. Conclusion...............................................................................................176
CHAPITRE 4 : MODÉLISATION ÉLECTROMÉCANIQUE DES MACHINES SYNCHRONES
À AIMANTS PERMANENTS SANS PIÈCES POLAIRES À INDUCTEUR INTÉRIEUR OU
EXTÉRIEUR ET ESTIMATION DES PERTES ......................................................179
Table des matières.........................................................................................181
I. Introduction...............................................................................................183
II. Modélisation analytique des différentes pertes dans les structures étudiées ...184
II.1. Pertes dans le circuit électrique..................................................................... 184
II.2. Pertes dans le circuit magnétique (l'induit denté et l'inducteur)........................ 190
II.3. Pertes mécaniques....................................................................................... 219
III. Bilan électromécanique et calcul du rendement des structures étudiées........223
III.1. Introduction................................................................................................ 223
III.2. Bilan global des pertes ............................................................................... 224
III.3. Schéma électrique équivalent et bilan global des puissances......................... 224
III.4. Rendement................................................................................................. 229
IV. Conclusion....................................................................................................... 229
CHAPITRE 5 : CONCEPTION OPTIMALE D'UN PROTOTYPE DE MACHINE SYNCHRONE
À AIMANTS PERMANENTS SANS PIÈCES POLAIRES À INDUCTEUR INTÉRIEUR ET
VALIDATIONS EXPÉRIMENTALES....................................................................... 233

Table des matières.........................................................................................235
I. Introduction...............................................................................................237

iii
Table des matières.

II. Conception d'un prototype de 500 W pour l'entraînement de compresseurs de
pile à combustible .........................................................................................237
II.1. Rappel du cahier des charges ...................................................................... 237
II.2. Démarche de dimensionnement optimale..................................................... 237
II.3. Résultat du dimensionnement....................................................................... 238
III. Conception de l'alimentation pour le prototype de 500 W ..........................239
III.1. Introduction................................................................................................ 239
III.2. Généralités................................................................................................ 239
III.3. Dispositif dédié à la fonction de mesure de la position.................................. 242
III.4. Génération des consignes de courants d'alimentation................................... 248
III.5. Système de contrôle des courants et commande de l'onduleur de tension ...... 250
IV. Mise en œuvre expérimentale...................................................................251
IV.1. Introduction ............................................................................................... 251
IV.2. Description du banc d'essai avec l'alimentation............................................ 251
IV.3. Caractérisation élémentaire de la machine synchrone rapide de 500 W........ 259
IV.4. Résultats expérimentaux en charge.............................................................. 264
V. Conclusion...............................................................................................266
CONCLUSION GÉNÉRALE ...................................................................267
I. Bilan du travail de recherche......................................................................267
II. Originalités du travail – Apports personnels................................................268
III. Perspectives du travail ..............................................................................270
ANNEXES........................................................................................273
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................353

iv
Liste des figures.

- LISTE DES FIGURES -

Chapitre 1 Contexte et objectif de la thèse :
Figure 1 : Comparaison des rendements des différents convertisseurs d'énergie [16].............................11
Figure 2 : Schéma de base décrivant le système pile à combustible (PAC) [19]......................................12
Figure 3 : Pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) : (a) Vues réelles, (b) Vue
éclatée et (c) Principe de fonctionnement.............................................................................13
Figure 4 : Répartition des puissances consommées par : (a) le système PAC et (b) les différents auxiliaires.....15
Figure 5 : Photographie du banc PAC Helion 5 kW du L2ES ................................................................18
Figure 6 : Organigramme général du processus de conception............................................................19
Figure 7 : Représentation symbolique de l’algorithme de dimensionnement par optimisation à l’aide d’un
système bouclé...................................................................................................................23
Figure 8 : Schéma structurel des avantages et des inconvénients (Gris foncé) des modèles numériques..24
Figure 9 : Schéma structurel des avantages et des inconvénients (Gris foncé) des modèles analytiques...25
Chapitre 2 Développement d'un modèle analytique pour les machines synchrones à aimants permanents
sans pièces polaires à inducteur intérieur ou extérieur :
Figure 10 : Coupe transversale des différentes topologies de machines synchrones à aimants permanents
(MSAPs) montés en surface à inducteur (a) intérieur et (b) extérieur.....................................37
Figure 11 : Détail d'une dent statorique pour les deux topologies considérées : inducteur (a) intérieur et
(b) extérieur.....................................................................................................................37
Figure 12 : Géométrie des aimants permanents à inducteur extérieur [5] : (a) Structure réelle et
(b) Structure implantée dans le modèle..............................................................................38
Figure 13 : Représentation de la position radiale d'un conducteur centré dans l'encoche : inducteur
(a) intérieur et (b) extérieur................................................................................................41
Figure 14 : Définition des longueurs d'une tête de bobine pour Θ : (a) grand et (b) petit.....................41
b
Figure 15 : Formes générales des cycles d'hystérésis pour les matériaux magnétiques (a) durs et
(b) doux [76].............................................................................................................45
Figure 16 : Courbe de désaimantation : (a) Limite admissible du champ démagnétisant. (b) Irréversibilité
de l'action d'un champ magnétique sur la polarisation d'un aimant permanent entraînant sa
désaimantation................................................................................................................46
Figure 17 : Variation thermique : (a) Champ coercitif intrinsèque. (b) Induction rémanente des aimants [79]....47
Figure 18 : Représentation d'un aimant permanent avec une direction d'aimantation : (a) radiale et
(b) parallèle.....................................................................................................................49
Figure 19 : Distribution spatiale des composantes (i) radiale et (ii) tangentielle du vecteur induction
rémanente des aimants permanents, sous une paire de pôles, suivant une direction

v
Liste des figures.

d'aimantation (a) radiale et (b) parallèle............................................................................50
Figure 20 : Évolution de la composante (a) radiale et (b) tangentielle d'une aimantation parallèle par
rapport à une aimantation radiale en fonction de α et de p.............................................51
a
Figure 21 : Décomposition en zone de la courbe de première aimantation...........................................52
Figure 22 : Courbes de première aimantation des matériaux magnétiques les plus courants .................54
Figure 23 : Forme d'onde et spectre harmonique du courant d'alimentation : (a) sinusoïdale et
(b) rectangulaire...............................................................................................................56
Figure 24 : Schéma d'un bobinage triphasé imbriqué à pas raccourci de 5/6 avec N =2, q=2 et p =1..57
c
Figure 25 : Forme d'onde et spectre harmonique de la répartition spatio-temporelles des courants de
l'induit pour le bobinage imbriqué de la Figure 24 avec une alimentation : (a) sinusoïdale ou
(b) rectangulaire...............................................................................................................59
Figure 26 : Représentation de l'inclinaison de l'armature statorique pour une topologie à inducteur
intérieur...........................................................................................................................59
Figure 27 : Forme d'onde et spectre harmonique de la répartition spatio-temporelle des courants de
l'induit avec l'inclinaison de l'armature statorique pour le bobinage imbriqué de la Figure 24
avec une alimentation : (a) sinusoïdale ou (b) rectangulaire................................................61
Figure 28 : Découpage général en couches concentriques des différentes topologies de machines synchrones
à aimants permanents (MSAPs) montés en surface à inducteur (a) intérieur et (b) extérieur........67
Figure 29 : Transformation d'un induit denté en un induit lisse en appliquant le coefficient de Carter
classique K ....................................................................................................................69
c
Figure 30 : Variation du coefficient de Carter classique K en fonction des rapports adimensionnels
c
b b et e b ..........................................................................................................70
oe od a oe
Figure 31 : Les différentes topologies simplifiées de machines synchrones à aimants permanents (MSAPs)
montés en surface à inducteur (a) intérieur et (b) extérieur en appliquant le coefficient de
Carter classique K .........................................................................................................72
c
Figure 32 : Application du théorème de superposition : modèle magnétostatique et modèle
magnétodynamique.........................................................................................................74
Figure 33 : Caractéristique magnétique de l'aimant permanent à la température T donnée par le
a
constructeur et caractéristiques magnétiques corrigées dans la modèle analytique...................77
Figure 34 : Erreur de calcul dans le potentiel vecteur magnétique pour les trois approximations dans la
(a) Région I, (b) Région II et (c) Région III en fonction de α et de µ ..........................78
a ra
Figure 35 : Définition des angles pour un changement de repère.........................................................82
Figure 36 : Conditions aux limites au passage d'une surface................................................................92
Figure 37 : Schéma structurel correspondant au développement d'un modèle analytique pour les
machines synchrones à aimants permanents (MSAPs) montés en surface à inducteur intérieur
ou extérieur .....................................................................................................................98
Chapitre 3 Détermination analytique des grandeurs locales et intégrales des machines synchrones à

vi