Contribution au Dimensionnement Optimal des Machines Synchrone à Aimants Permanents pour ...

248 Pages·2013·10.92 MB·French

Thèse de Doctorat
Floran M
ARTIN
Mémoire présenté en vue de l’obtention du
grade de Docteur de l’Université de Nantes
sous le label de l’Université de Nantes Angers Le Mans
Discipline:Génieélectrique
Laboratoire:IREENA
Soutenuele16avril2013
Écoledoctorale:503(STIM)
Thèsen°:ED503-187
Contribution au dimensionnement optimal de
machines synchrones à aimants déposés en
surface pour applications à hautes vitesses
JURY
Rapporteurs: M.Jean-Claude VANNIER,Professeur,SUPELEC
M.Hamid BEN AHMED,Maîtredeconférences(HDR),ENSCachanBretagne
Examinateurs: M.Daniel MATT,Professeur,UniversitédeMontpellier
M.Abdelmounaïm TOUNZI,Professeur,UniversitédeLille
M.Didier TRICHET,Maîtredeconférences(HDR),UniversitédeNantes
Directeurdethèse: M.ElHadi ZAÏM,Professeur,UniversitédeNantes

L
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TABLE DES MATIÈRES
Remerciements 9
Introductiongénérale 11
1 Machinesélectriquesrapides 15
1.1 Intérêtdesmachinesrapides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Limitationsdesmachinesrapides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Tenuemécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.2 Sollicitationsthermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 Systèmedeguidage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.4 Conséquencesetperformanceslimites . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Machinesenvisageables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1 Machinesasynchrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2 Machinessynchro-réluctantes . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.3 Machineshomopolaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.4 Machinesàréluctancevariableàdoublesaillance . . . . . . 30
1.4.5 Machinessynchronesàaimantspermanents . . . . . . . . . 32
1.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 ModélisationdelaMachineàAimants 37
2.1 Analyseélectromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.1 Outilsthéoriques:équationsduchamp . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Déterminationdesharmoniquesd’encoches . . . . . . . . . 48
2.1.3 Fonctionnementnominal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.4 Validationparélémentsfinis2D . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2 Modélisationdespertesaustator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.1 PertesJoule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5
2.2.2 PertesMagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.3 Identification expérimentale du coefficient additionnel des
pertesfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3 PertesAérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.1 Etatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.2 Etudecomparativedesmodèlesissusdelalittérature . . . . 66
2.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.4 Validationdesmodèlesdepertespardesessaisendécélération . . . 73
2.4.1 Descriptionduprocédéexpérimental . . . . . . . . . . . . 74
2.4.2 Exploitationdesmesuresdevitesses . . . . . . . . . . . . . 76
2.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3 PertesdanslesAimants 79
3.1 Présentationdesphénomènesetétatdel’art . . . . . . . . . . . . . 79
3.2 Modélisationdespertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.1 Calculdescourantsinduitsetdespertesdansunecouronne
conductrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.2 Approcheénergétiqueglobale . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.3 Méthodeharmonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3 Comparaisondesméthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.1 Analysedel’alluredeladensitédecourantsinduits . . . . . 101
3.3.2 Pertesinstantanéesdansunedeuxièmestructuretest . . . . 106
3.3.3 Impactdelasegmentationdesaimants . . . . . . . . . . . . 108
3.3.4 Impactdelafréquencesurlespertes . . . . . . . . . . . . . 112
3.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 ModélisationThermique 115
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.1 Importancedelamodélisationthermique . . . . . . . . . . 115
4.1.2 Technologiederefroidissement . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.1.3 Méthodesdemodélisationthermique . . . . . . . . . . . . 119
4.2 Modélisationthermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.1 Présentationdumodèlethermique . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.2 Résistancesthermiquesdumodèle . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.3 Températuresdesélémentsdelamachine . . . . . . . . . . 132
4.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.1 Machine synchrone pour motorisation hybride
d’automobile(50kWà6000tr/min)[1] . . . . . . . . . . . 135
4.3.2 Machinesynchronepourcentraledecogénération
(110kWà70000tr/min)[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5 DimensionnementOptimal 143
5.1 Démarchesd’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.1.1 Approchedirecteparinversiondumodèle . . . . . . . . . . 144
5.1.2 Approcheindirecteparalgorithmed’optimisation . . . . . . 149
5.1.3 Comparaisondesalgorithmesd’optimisation . . . . . . . . 160
5.2 Conceptionoptimaledemachinessynchronesàaimantspermanents 161
5.2.1 Présentation des fonctions objectives, des variables
d’optimisationetdescontraintes . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.2.2 Procédurededimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.3 Impactdespertesdanslesaimantssurledimensionnementoptimal . 169
5.3.1 Sourcesharmoniquesdespertesdanslesaimants . . . . . . 170
5.3.2 Influence de la segmentation circonférentielle sur la
puissanceoptimaled’unemachinetournantà30000tr/min 173
5.4 Impactdelafonctionobjective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.5 Influencedutyped’aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Conclusiongénérale 199
Réferences 213
Annexes 215
A Dimensionsdelamachineasynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . 215
B Dimensionsdesmachinesdubancrapide . . . . . . . . . . . . . . 217
C Développementdescalculsdelaméthodeglobalenégligeantl’effet
depeaudanslalargeurdel’aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
D Développement des calculs de la méthode globale considérant
l’effetdepeaudanslalargeurdel’aimant . . . . . . . . . . . . . . 220
E Réseauxderésistancesthermiquesissuesdelalittérature . . . . . . 225
F FonctionsTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
G Comparaisondesalgorithmesd’optimisation . . . . . . . . . . . . 236
H Evolution de l’optimum des algorithmes d’optimisation sur les
fonctionstests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

REMERCIEMENTS
Ce travail de thèse a été réalisé au sein du laboratoire IREENA à Saint-Nazaire
sous la direction de Mohammed El-Hadi ZAÏM. Je tiens, tout d’abord, à remercier
lesmembresdemonjury:
– MonsieurDanielMATTpourm’avoirfaitl’honneurdeprésidercejury;
– Monsieur Jean Claude VANNIER pour avoir accepté de rapporter sur ce
travailetpourlapertinencedesesremarques;
– Monsieur Hamid BEN AHMED pour avoir accepté d’endosser le rôle de
rapporteur et pour ses remarques constructives qui ont permis l’amélioration
decemanuscrit;
– Monsieur Abdelmounaïm TOUNZI pour sa collaboration dans le travail
de comparaison des modèles de pertes dans les aimants au travers du
développement de méthodes numériques 3D ainsi que pour ses remarques
nécessaires à l’amélioration de la qualité de ce document. Ce fut et ça reste
unréelplaisirdetravailleraveclui;
– Monsieur Didier TRICHET pour les remarques pertinentes qu’il a apportées
pendant l’ensemble de la durée de cette étude ainsi que pour ses félicitations
quim’onttrèstouchées.
Je souhaite tout particulièrement remercier mon directeur de thèse Mohammed
El-Hadi ZAÏM pour sa confiance et son esprit de synergie ainsi que tous ses
soutiens indispensables à l’aboutissement de ce travail. Je tiens aussi à louer ses
qualités humaines comme par exemple sa compassion et son humilité, qui ont
permisd’accroîtrel’efficacitédutravailmené.
Je tiens également à remercier le personnel administratif et technique du
laboratoire. Merci aux secrétaires Sabrina SAMSON et Christine BROHAN qui
ont su me venir en aide lors de mes aventures dans le processus administratif.
Merci aussi au technicien Franck JUDIC qui, bien qu’il soit seul à exercer cette
9
fonction, a toujours été disponible avec sa bonne humeur pour soutenir activement
lestravauxexpérimentauxmenéespourcetteétude.
JesouhaiteaussiremercierLucLORONquifutdisponiblepourmeprésenterles
variateurs de vitesse et le système D-Space. Je remercie aussi Gérard BERTHIAU
poursacollaborationdansl’élaborationdesalgorithmesd’optimisation.Jeremercie
également Luc MOREAU pour son apport de connaissances dans le domaine du
dimensionnement de machines électriques. Je tiens aussi à remercier le noyau
fort de la salle de pause qui participe activement à la bonne humeur et à la bonne
ententedesmembresdulaboratoire.QuesoientainsiremerciéSalvyBOURGUET,
NicolasBERNARD,Jean-ChristopheOLIVIER,LucMOREAU,FranckJUDICet
GuillaumeWASSELYNCK.
Je tiens également à remercier Antero ARKKIO et Anouar BELAHCEN du
laboratoire d’Helsinki pour leurs conseils et notre collaboration concernant la
rédactiond’articlesrelatifsàmestravauxdeMaster.
Je tiens aussi à remercier mes compagnons thésards pour leur entre-aide et leur
sympathie qui sont Mahad ABDI-ADEN, Sullivan KUTTLER, Souad BACHTI,
Radu FRATILA et surtout Sony TRIESTE. Je leur souhaite bien du courage
pour soutenir leurs travaux de thèse. Tous mes encouragements aussi à Ahmed
BOUABDALLAH, Ouahid DAHMANI, Abdoulaye DIENG, Zhihao SHI, René
AUBREE,Hao CHEN,YiYUANet StéphaneCHEVALLIERdansleur travauxde
thèse.
Demanièrepluspersonnelle,jesouhaiteremerciertoutelabandedes“8pattes”
et des “barrières”. Ces joyeux lurons m’ont permis de décompresser pendant les
week-ends et mes vacances. Un bien grand merci à Dudu, Rémino, Brice, Nicoco,
Flo, Vinc’, Mimile, Mylène, Jennifer, Taz, Joul’, JC et tous les autres que j’ai
oubliés.QuesoitaussiparticulièrementremerciémoncheramiClémentLEDARD
pour avoir toujours su m’épauler et m’encourager lors des moments les plus
difficiles que j’ai pu traverser. Je tiens également à remercier ma douce et tendre
Vilmapourm’avoirencouragéetavoirélevémamotivation.
Pour finir, je pense aux membres de ma famille qui ont toujours été là pour me
soutenir. Je tiensparticulièrement à remercier ma mèreMartine, mon frère Damien
etmasoeurLaure.
F M
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