Contribution à la conception des machines électriques à rotor passif pour des applications

265 Pages·2017·11.65 MB·French

by  Guangjin Li

Contribution à la conception des machines électriques à
rotor passif pour des applications critiques:
modélisations électromagnétiques et thermiques sur
cycle de fonctionnement, étude du fonctionnement en
mode dégradé
Guangjin Li
To cite this version:
GuangjinLi. Contributionàlaconceptiondesmachinesélectriquesàrotorpassifpourdesapplications
critiques: modélisations électromagnétiques et thermiques sur cycle de fonctionnement, étude du
fonctionnement en mode dégradé. Autre. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2011.
Français. ￿NNT: 2011DENS0025￿. ￿tel-00618236￿
HAL Id: tel-00618236
https://theses.hal.science/tel-00618236
Submitted on 1 Sep 2011
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
ENSC-(n° d’ordre)
THESE DE DOCTORAT
Présentée par
Monsieur (cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:10)(cid:11)(cid:7)(cid:3)
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN
Domaine :
ELECTRONIQUE-ELECTROTECHNIQUE-AUTOMATIQUE
Sujet de thèse :
Contribution à la Conception des Machines Electriques à Rotor Passif pour des
Applications Critiques : Modélisations Electromagnétiques et Thermiques sur Cycle
de Fonctionnement, Etude du Fonctionnement en Mode Dégradé.
Thèse présentée et soutenue à Cachan le 05 Juillet 2011 devant le jury composé de :
M. MIRAOUI Abdellatif Professeur des Universités Examinateur
M. SEMAIL Eric Professeur des Universités Rapporteur et président
M. MEIBODY-TABAR Farid Professeur des Universités Rapporteur
M. GABSI Mohamed Professeur des Universités Directeur de thèse
M. HOANG Emmanuel Professeur Agrégé Encadrant
M. SIMOES Marcelo Godoy Professeur Associé Examinateur
M. LECOINTE Jean Philippe Maître de Conférence Examinateur
M. MEURET Régis Resp. Pole SPEC, Hispano-suiza Invité
Laboratoire SATIE
ENS CACHAN / CNRS / UMR 8092
61, avenue du Président Wilson, 94230 CACHAN CEDEX (France)

Remerciements
Les travaux dans ce mémoire ont été réalisés aux laboratoires SATIE (Systèmes et Applications des
Technologies de l’Information et de l’Energie) au sein de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan.
Je remercie donc vivement M. Pascal Larzabal, directeur du laboratoire SATIE, de m’avoir accueilli au
sein de son laboratoire et de m’avoir offert les meilleures conditions pour réaliser mes travaux.
Je remercie M. SEMAIL Eric, Professeur des Universités à l’Ecole Nationale Supérieure d'arts et
Métiers (ENSAM) pour m’avoir fait l’honneur de présider le Jury et de rapporter sur mes travaux de thèse.
Que M. MEIBODY-TABAR Farid, Professeur des Universités à l’École nationale supérieure
d'électricité et de mécanique (ENSEM) reçoivent mes sincères remerciements pour l’honneurs qu’il nous a
fait en acceptant la lourde tâche de rapporteur.
Je voudrais également remercier, M. Abdellatif Miraoui, Professeur des Universités à l’Université
Technologique de Belfort-Montbéliard, M. LECOINTE Jean Philippe, Maître de Conférence à l’Université
d’Artois, M. SIMOES Marcelo Godoy, Professeur associé des Colorado School of Mines (Colorado,
USA), et M. MEURET Régis, responsable du département de recherche à l’Hispano-Suiza, pour m’avoir
honoré de leur présence en acceptant d’être membre de Jury.
Je tiens à remercier le plus profondément M. GABSI Mohamed, Professeur des Universités à l’Ecole
Normale Supérieure de Cachan, pour la haute qualité de ses enseignements et pour son encadrement de
cette thèse avec la plus grande attention tout en me laissant une grande liberté dans l’organisation de mon
travail. Par sa confiance et son intelligence, M. GABSI Mohamed a su toujours bien orienter mon travail
en me montrant la bonne voie pendant toutes ces trois années. Je tiens à lui exprimer ma profonde
reconnaissance.
M. HOANG Emmanuel, Professeur Agrégé à l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, pour ses
questions, ses conseils et son aide pour mener à bien ce travail.
Que M. Michel LECRIVAIN, Ingénieur de recherche à l’équipe SETE au laboratoire SATIE, trouve ici
l’expression de ma plus profonde reconnaissance pour son soutient scientifique en mettant en œuvre les
tests expérimentaux. Son immense expérience, sa gentillesse et ses conseils scientifiques ont été des plus
utiles dans cette thèse.
J’ai eu la chance de pouvoir travailler dans un cadre tout à fait exceptionnel, grâce aux compétences et à
l’amabilité de ses membres. Que M. Hamid BEN AHMED, M. Bernard MULTON, Lionel, Sami, Xavier,
Olivier, Boumedyen, Phi Hung, Thu Thuy, Benjamin, Linh,… soient remerciés. Les discussions que j’ai
pu avoir avec eux ont toujours été fructueuses et enrichissantes. A cela s’ajoute l’aide et l’amabilité des
agents administratifs et techniques de SATIE.
Je terminerai en ayant une pensée plaine d’affection pour ceux qui sont à mes côtés depuis tant
d’années. Je ne pourrai jamais remercier assez ma famille, à Min et à mes amis, pour leur patience et leur
soutient moral tout au long de ce travail.

Table des matières
Chapitre 1.(cid:1) Introduction générale................................................................................ 1(cid:1)
Chapitre 2.(cid:1) Etat de l’art ............................................................................................... 5(cid:1)
2.1(cid:1) Machines électriques pour des applications critiques ...................................................................... 5(cid:1)
2.1.1(cid:1) Quelle topologie choisir ? ......................................................................................................... 5(cid:1)
2.1.2(cid:1) Machines à réluctance variable (MRV) .................................................................................... 6(cid:1)
2.1.3(cid:1) Machines synchrones à aimants permanents ............................................................................ 9(cid:1)
2.2(cid:1) Modèles thermiques statiques et transitoires des machines électriques ......................................... 21(cid:1)
2.2.1(cid:1) Etude thermique statique des machines électriques ................................................................ 21(cid:1)
2.2.2(cid:1) Etude thermique transitoire des machines électriques ............................................................ 33(cid:1)
2.3(cid:1) Fiabilité d’une machine électrique : redondance et multi-phases .................................................. 37(cid:1)
2.3.1(cid:1) Machines avec redondances .................................................................................................... 38(cid:1)
2.3.2(cid:1) Machines multi-phasées .......................................................................................................... 45(cid:1)
2.4(cid:1) Conclusion...................................................................................................................................... 47(cid:1)
Chapitre 3.(cid:1) Etude des Machines à Réluctance Variable (MRV) et de leurs
développements ................................................................................................................ 49(cid:1)
3.1(cid:1) Etude comparative entre les MRVC et MRVNC ........................................................................... 50(cid:1)
3.1.1(cid:1) Description du principe de deux types de MRV ..................................................................... 50(cid:1)
3.1.2(cid:1) Flux propres et mutuels ........................................................................................................... 51(cid:1)
3.1.3(cid:1) Inductances propres et mutuelles ............................................................................................ 53(cid:1)
3.1.4(cid:1) Comparaison entre différents modes d’alimentation .............................................................. 56(cid:1)
3.1.5(cid:1) Pourquoi la MRVNC est performante aux courants élevés ? ................................................. 65(cid:1)
3.1.6(cid:1) Vérifications expérimentales .................................................................................................. 67(cid:1)
3.1.7(cid:1) Conclusion .............................................................................................................................. 71(cid:1)
3.2(cid:1) Minimisation de l’ondulation de couple en modifiant la géométrie rotorique d’une MRVNC ..... 73(cid:1)
3.2.1(cid:1) Sources de forte ondulation de couple d’une MRVNC .......................................................... 73(cid:1)
3.2.2(cid:1) Méthode de la réduction de l’ondulation de couple ................................................................ 75(cid:1)
3.2.3(cid:1) Flux propres et mutuels de la MRV modifiée ......................................................................... 77(cid:1)
3.2.4(cid:1) Dérivées des inductances propres et mutuelles ....................................................................... 78(cid:1)
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:5)(cid:6)(cid:8)(cid:9)(cid:6)(cid:10)(cid:9)(cid:6)(cid:11)(cid:12)(cid:6) (cid:12)(cid:6)
3.2.5(cid:1) Etude paramétrique de la zone entaillée ................................................................................. 79(cid:1)
3.2.6(cid:1) Caractéristique mécanique d’une MRVNC avec zones entaillées .......................................... 84(cid:1)
3.2.7(cid:1) Conclusion .............................................................................................................................. 87(cid:1)
3.3(cid:1) Etude thermique transitoire sur cycle de fonctionnement des MRV ............................................. 89(cid:1)
3.3.1(cid:1) Modélisation des pertes fer et Joule sur cycle de fonctionnement ......................................... 89(cid:1)
3.3.2(cid:1) Modèle thermique transitoire sur cycle de fonctionnement .................................................... 96(cid:1)
3.3.3(cid:1) Conclusion ............................................................................................................................ 108(cid:1)
Chapitre 4.(cid:1) Etude sur la tolérance aux défauts d’une machine à commutation de
flux (MCF) triphasée ..................................................................................................... 109(cid:1)
4.1(cid:1) Modélisation thermique sur cycle de fonctionnement d’une MCF avec redondance .................. 110(cid:1)
4.1.1(cid:1) Pertes fer et Joule sur cycle de fonctionnement .................................................................... 110(cid:1)
4.1.2(cid:1) Modélisation thermique par réseau de résistances thermiques ............................................. 115(cid:1)
4.1.3(cid:1) Modélisation thermique par la méthode EF 2D .................................................................... 117(cid:1)
4.1.4(cid:1) Résultats analytiques et numériques (thermique statique) .................................................... 117(cid:1)
4.1.5(cid:1) Résultats analytiques et numériques (thermique transitoire) ................................................ 118(cid:1)
4.1.6(cid:1) Vérifications expérimentales ................................................................................................ 121(cid:1)
4.1.7(cid:1) Conclusion ............................................................................................................................ 124(cid:1)
4.2(cid:1) Etude des défauts d’une MCF 12/10 sans redondance (court-circuit partiel) .............................. 125(cid:1)
4.2.1(cid:1) Description des caractéristiques de la MCF sans redondance .............................................. 125(cid:1)
4.2.2(cid:1) Inductances propres et mutuelles .......................................................................................... 126(cid:1)
4.2.3(cid:1) Couple moyen et ondulation de couple d’une MCF sans redondance .................................. 127(cid:1)
4.2.4(cid:1) Modèle de défauts entre-spires d’une phase ou entre phases de la MCF sans redondance .. 128(cid:1)
4.2.5(cid:1) Conclusion ............................................................................................................................ 150(cid:1)
4.3(cid:1) Caractéristiques d’une MCF 12/10 avec redondance ................................................................... 151(cid:1)
4.3.1(cid:1) Faisabilité d’une MCF avec redondance à partir de celle sans redondance ......................... 151(cid:1)
4.3.2(cid:1) Inductances propres et mutuelles d’une MCF avec redondance ........................................... 152(cid:1)
4.3.3(cid:1) Couple moyen et ondulation de couple ................................................................................. 154(cid:1)
4.4(cid:1) Modèle couplé : défaillance-thermique d’une MCF 12/10 avec redondance .............................. 155(cid:1)
4.4.1(cid:1) Modèle analytique de défauts sur une phase en court-circuit ............................................... 155(cid:1)
4.4.2(cid:1) Résultats de la simulation (MATLAB-Simulink) ................................................................. 157(cid:1)
4.4.3(cid:1) Vérification expérimentale ................................................................................................... 161(cid:1)
4.4.4(cid:1) Modèles thermiques statiques (analytique et EF 3D) de la MCF en cas de défaut .............. 162(cid:1)
4.4.5(cid:1) Conclusion ............................................................................................................................ 168(cid:1)
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:5)(cid:6)(cid:8)(cid:9)(cid:6)(cid:10)(cid:9)(cid:6)(cid:11)(cid:12)(cid:6) (cid:12)(cid:12)(cid:6)
4.5(cid:1) Etude comparative des défauts entre les MCF redondantes avec double et simple couche ........ 169(cid:1)
4.5.1(cid:1) Couple moyen et ondulation de couple ................................................................................. 170(cid:1)
4.5.2(cid:1) Inductances propres et mutuelles, L et L ............................................................................ 170(cid:1)
d q
4.5.3(cid:1) Modèle de défauts sur 3 phases en court-circuit ................................................................... 174(cid:1)
4.5.4(cid:1) Simulation et validation expérimentale ................................................................................ 177(cid:1)
4.5.5(cid:1) Couple résistant dû aux courants de court-circuit ................................................................. 180(cid:1)
4.5.6(cid:1) Pertes Joule dues aux courants de court-circuit .................................................................... 181(cid:1)
4.5.7(cid:1) Influences des paramètres sur le courant de court-circuit ..................................................... 182(cid:1)
4.5.8(cid:1) Conclusion ............................................................................................................................ 185(cid:1)
Chapitre 5.(cid:1) Etude sur la tolérance aux défauts d’une machine à commutation de
flux (MCF) hexa-phasée ................................................................................................ 187(cid:1)
5.1(cid:1) Caractérisation préalable de la MCF 12/10 hexa-phasée ............................................................. 189(cid:1)
5.1.1(cid:1) Schéma de contrôle ............................................................................................................... 189(cid:1)
5.1.2(cid:1) Couple et ondulation de couple ............................................................................................ 189(cid:1)
5.1.3(cid:1) Inductances propres et mutuelles .......................................................................................... 191(cid:1)
5.2(cid:1) Défauts sur l’ouverture des phases d’une MCF hexa-phasée ...................................................... 193(cid:1)
5.2.1(cid:1) Une phase ouverte ................................................................................................................. 194(cid:1)
5.2.2(cid:1) Deux phases ouvertes ............................................................................................................ 197(cid:1)
5.2.3(cid:1) Trois phases ouvertes ............................................................................................................ 201(cid:1)
5.3(cid:1) Défauts sur le court-circuit des phases de la MCF hexa-phasée .................................................. 207(cid:1)
5.3.1(cid:1) Une phase en court-circuit .................................................................................................... 207(cid:1)
5.3.2(cid:1) Deux phases en court-circuit ................................................................................................. 214(cid:1)
5.3.3(cid:1) Trois phases en court-circuit ................................................................................................. 223(cid:1)
5.4(cid:1) Conclusion.................................................................................................................................... 227(cid:1)
Chapitre 6.(cid:1) Conclusion générale et perspectives ..................................................... 229(cid:1)
Chapitre 7.(cid:1) ANNEXE .................................................................................................... i(cid:1)
7.1(cid:1) Machine à réluctance variable (MRV) et machine à commutation de flux (MCF) pour des tests
expérimentaux .............................................................................................................................................. i(cid:1)
7.1.1(cid:1) Prototype de la MRV et son banc d’essais pour des essais expérimentaux ............................... i(cid:1)
7.1.2(cid:1) Prototype de la MCF pour des essais expérimentaux ............................................................... ii(cid:1)
7.2(cid:1) Calculs des inductances propres et mutuelles ainsi que celles dans l’axe d et dans l’axe q d’une
machine à aimants permanents .................................................................................................................. iii(cid:1)
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:5)(cid:6)(cid:8)(cid:9)(cid:6)(cid:10)(cid:9)(cid:6)(cid:11)(cid:12)(cid:6) (cid:12)(cid:12)(cid:12)(cid:6)
7.2.1(cid:1) Inductances propres et mutuelles ............................................................................................. iii(cid:1)
7.2.2(cid:1) Inductances dans l’axe d et dans l’axe q .................................................................................. iii(cid:1)
7.3(cid:1) Transformation d’une encoche cylindrique en forme rectangulaire .............................................. vii(cid:1)
Liste des publications
Résumé
Abstract
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:5)(cid:6)(cid:8)(cid:9)(cid:6)(cid:10)(cid:9)(cid:6)(cid:11)(cid:12)(cid:6) (cid:12)(cid:13)(cid:6)
Chapitre 1.
Introduction générale
Depuis deux décennies, de plus en plus d’équipements électriques sont utilisés dans les avions afin de
remplacer les équipements hydrauliques. Les avions deviennent ainsi de plus en plus ‘‘électriques’’. Ceci
permet aux constructeurs avioniques de supprimer des kilomètres de tuyauteries et des dizaines de pompes
hydrauliques. Du point de vue écologique, les avions électriques seront plus propres et plus respectueux de
l’environnement. Du point de vue de la fiabilité, la solution électrique offre plus de degrés de liberté pour
palier aux pannes des équipements. En cas de défauts dans un équipement électrique, il est beaucoup plus
facile de le commuter sur les autres (équipements électriques redondants) via le contrôle central de l’avion
tandis qu’avec les équipements hydrauliques, il faut équiper des circuits hydrauliques de secours qui vont
alourdir les équipements ou le réparer une fois au sol.
La tâche centrale de cette thèse est la conception et la mise au point d’un actionneur électromagnétique
tournant pour remplir le cahier des charges (CDC) de l’application ‘‘Variable Stator Vane’’ (VSV) [figure
1.1 (a)]. Les travaux sont effectués au sein du laboratoire Systèmes et Applications des Technologies de
l’Information et de l’Energie (SATIE) en collaboration avec la société Hispano-Suiza dans le cadre du
projet SEFORA. La machine électrique conçue servira à la régulation du régime moteur de l’avion en
contrôlant l’angle d’ouverture des ailettes du VSV du turboréacteur afin de contrôler la quantité d’air en
entrée dans le turboréacteur. De par son positionnement au plus près des parties chaudes du turboréacteur,
cet actionneur fonctionnera en permanence dans un environnement dont la température ambiante est
proche de 200°C. Ceci rend la marge entre la température maximale admissible des matériaux isolants
d’une machine électrique et la température ambiante très étroite, la capacité de fonctionnement d’une
machine électrique à ces niveaux de température ambiante constitue donc le cœur de nos études.
Sachant que le régime du turboréacteur de l’avion est loin d’être constant durant un vol, le couple et la
vitesse de la machine électrique varient dans le temps. Les profils du couple et de la vitesse en fonction du
temps sur un cycle de fonctionnement de la machine sont illustrés à la figure 1.1 (b), où les valeurs des
couples minimal et maximal sont respectivement 0,35 Nm et 7 Nm. Les valeurs des vitesses minimale et
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:5)(cid:6)(cid:8)(cid:9)(cid:6)(cid:10)(cid:9)(cid:6)(cid:11)(cid:12)(cid:6) (cid:14)(cid:6)