modélisation par éléments finis, validation experimentale et optimisation d'une machine synchrone

192 Pages·2016·3.48 MB·French

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

MÉMOIRE PRÉSENTÉ À
L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

COMME EXIGENCE PARTIELLE
À L’OBTENTION DE LA
MAÎTRISE AVEC MÉMOIRE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE
M. Sc. A.

PAR
Jérémy CHAMBON

MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS, VALIDATION EXPERIMENTALE ET
OPTIMISATION D’UNE MACHINE SYNCHRONE À
AIMANTS PERMANENTS

MONTRÉAL, LE 1ER JUIN 2016

©Tous droits réservés, Jérémy Chambon, 2016
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PRÉSENTATION DU JURY

CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ

PAR UN JURY COMPOSÉ DE :

M. Handy Fortin Blanchette, directeur de mémoire
Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure

M. Ambrish Chandra, président du jury
Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure

M. Arezki Merkhouf, membre du jury
Institut de recherche d’Hydro-Québec IREQ

IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC

LE 4 MAI 2016

À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

REMERCIEMENTS

Je tiens tout particulièrement à remercier Monsieur Handy Fortin Blanchette, professeur à
l’École de Technologie Supérieure à Montréal et chercheur au sein du Groupe de Recherche
en Électronique de Puissance et Commande Industrielle (GREPCI) qui m’a permis de réaliser
cette maitrise en génie électrique. Il a été directeur de ce projet et a fait preuve d’une grande
disponibilité à mon égard.

Je remercie également Monsieur Yves Robitaille, technicien du département génie électrique,
pour avoir fait preuve de disponibilité, de conseils et d’attention à mon égard tout au long de
cette maitrise.

Je remercie également Paul Laprade et Benoit Cloutier, ingénieurs au sein de l’entreprise
Procycle, pour leur confiance accordée sur ce projet, leurs conseils avisés et leurs
disponibilités à répondre à mes questions.

MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS, VALIDATION EXPERIMENTALE ET
OPTIMISATION D’UNE MACHINE SYNCHRONE À
AIMANTS PERMANENTS

Jérémy CHAMBON

RÉSUMÉ

Dans le cadre de cette maitrise à l’École de Technologie Supérieure de Montréal, le travail
présenté traite la modélisation par éléments finis d’un moteur synchrone à aimants
permanents.

Le premier objectif a été de développer le modèle du moteur électrique avec le logiciel
ANSYS Maxwell en tenant compte des caractéristiques des enroulements, des matériaux et
de la géométrie des pièces.

Dans un second temps, il a fallu déterminer les matériaux utilisés et le profil de
magnétisation des aimants pour obtenir une forme trapézoïdale de la force contre
électromotrice. Un montage expérimental utilisant une chambre thermique a permis de
quantifier les pertes fer en fonction de la fréquence électrique et de la température. Un
modèle thermique décrivant le comportement des aimants a été implémenté pour améliorer la
précision du modèle.

Enfin, le modèle développé a pu être validé par des mesures expérimentales obtenues à l’aide
d’un banc dynamométrique. Réduire la masse du moteur et optimiser ses performances
électromécaniques sont les objectifs de l’entreprise Procycle. Une étude a été réalisée sur les
gains en performance en modifiant le modèle : changements des matériaux, modification de
la géométrie du stator, modification des enroulements etc...

Mots clés : Modélisation par éléments finis, Machine synchrone à aimants permanents,
Pertes fer, Optimisation des performances électromécaniques.

FINITE ELEMENT MODELING, EXPERIMENTAL VALIDATION AND
OPTIMISATION OF A PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

Jeremy CHAMBON

ABSTRACT

During this master’s degree at the École de Technologie Supérieure in Montréal, the present
work examines modeling by finite elements of a permanent magnet synchronous motor

The first objective was to develop the electric motor’s model into the Maxwell software
while considering the winding’s characteristics, the materials and the pieces’ geometry.

As a second step, the magnet's materials and magnetization profile was determined to obtain
a trapeze-shaped back electromotive force. A sample from a ferromagnetic material was
tested in a thermal chamber and used to quantify iron loss as a function of electric frequency
and temperature. Additionally, a thermal model outlining the magnets' behavior was
implemented to increase the accuracy of the motor's model.

Finally, the motor's model was validated on a work bench according to experimental
measures. Since Procycle enterprise's main objective is to reduce the motor's mass as well as
optimizing its electromechanical performance, a sensitivity analysis was conducted. Thus,
performance improvements were assessed by changing different variables such as materials,
stator’s geometry, and windings.

Keywords: Modeling by finite elements, Permanent magnet synchronous motor, Iron loss,
Optimizing electromechanical performance.