Thèse de Doctorat

171 Pages·2008·11.62 MB·French

(cid:176)
N d’ordre : 0099 AnnØe : 2008
ThŁse de Doctorat
pour obtenir le grade de DOCTEUR
dØlivrØ conjointement par l’UniversitØ de Technologie de
Belfort-Montbeliard et de l’universitØ de Besan(cid:231)on
Ecole Doctorale (cid:16)Sciences pour l’IngØnieur et Microtechniques(cid:17)
Discipline : Science pour l’ingØnieur - GØnie (cid:201)lectrique
PrØsentØe et soutenue publiquement, le 02 DØcembre 2008, par
Sami HLIOUI
(cid:201)tude d’une Machine Synchrone (cid:224) Double
Excitation
Contribution (cid:224) la mise en place d’une plate-forme de
logiciels en vue d’un dimensionnement optimal
Directeurs de thŁse : A. MIRAOUI Professeur des universitØs (cid:224) l’UTBM
M. GABSI Professeur des universitØs (cid:224) l’ENS Cachan
Encadrants : : Y. AMARA Ma(cid:238)tre de confØrence (cid:224) l’universitØ du Havre
L. VIDO Ma(cid:238)tre de confØrence (cid:224) l’IUP GEII de Cergy Pontoise
Jury
P. BROCHET Professeur des universitØs (cid:224) l’ECL Rapporteur
G. BARAKAT Professeur des universitØs (cid:224) l’universitØ du Havre Rapporteur
J.P. YONNET Directeur de Recherche au CNRS PrØsident
F. BABAK Professeur (cid:224) l’UniversitØ de Texas- Arlington - USA
F. CHABOT IngØnieur PSA

Table des matiŁres
1 (cid:201)tat de l’art 13
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Les machines synchrones (cid:224) aimants permanents non conventionnelles . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Les machines (cid:224) dØ(cid:29)uxage mØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1.1 Structure proposØe par Lipo et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1.2 Structure proposØe par Baoquab et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1.3 Structure proposØe par Ma et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.1.4 Structure proposØe par Ma et al. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.1.5 Structure proposØe par Masuzawa et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.1.6 Structure (cid:224) (cid:29)ux axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.2 Les machines synchrones (cid:224) double excitation MSDE . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.2.1 MSDE SØrie (Henneberger et al.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.2.2 Machine (cid:224) gri(cid:27)es avec aimants inter-plots . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.2.3 Structures (cid:224) nombre de paires de p(cid:244)les variable . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.2.4 Machine (cid:224) p(cid:244)les consØquents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.2.5 Machine (cid:224) double excitation (cid:224) circuits juxtaposØs . . . . . . . . . . . . 29
1.2.2.6 Machine (cid:224) commutation de (cid:29)ux (cid:224) double excitation . . . . . . . . . . 31
1.2.2.7 MachineSynchrone(cid:224)concentrationde(cid:29)ux(cid:224)doubleexcitation(MSAP-
ConFDE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3 Les modŁles utilisØs dans les procØdures d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.1 Les modŁles NumØriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.2 Les modŁles analytiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3.2.1 MØthode basØe sur la rØsolution analytique des (cid:201)quations de Maxwell 37
1.3.2.2 Les modŁles rØluctants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4 Les algorithmes d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.1 Les mØthodes dØterministes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.1.1 La mØthode du gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.1.2 Algorithme du Simplexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.4.2 MØthodes stochastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4.2.1 Optimisation par essaims particulaires (Particle Swarm Optimization,
PSO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4.2.2 Optimisation par colonies de fourmis (Ant Colony Optimization) . . . 41
1.4.2.3 Les algorithmes gØnØtiques (AGs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
ThŁse S. HLIOUI 3
2 (cid:201)tude paramØtrique par la mØthode des ØlØments (cid:28)nis de machines synchrones (cid:224)
double excitation 49
2.1 PrØsentation et principe de MSAPConFDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.0.1 Con(cid:28)guration Homopolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.1.0.2 Con(cid:28)guration bipolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1.0.3 Comparaison des performances des deux con(cid:28)gurations . . . . . . . . 56
2.2 ModØlisation (cid:201)lØments (cid:28)nis 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.1 Choix de la formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.2 Dessin de la gØomØtrie, maillage et extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.3 Attribution des sources et des conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.4 Post-traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.5 CaractØristiques magnØtiques de la structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3 (cid:201)tudes de sensibilitØ mono-variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.1 In(cid:29)uence de l’entrefer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.2 Induction rØmanente de l’aimant permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.3.3 In(cid:29)uence du coe(cid:30)cient de foisonnement k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
f
2.3.4 In(cid:29)uence de l’Øpaisseur de la culasse massive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.3.5 In(cid:29)uence de l’Øpaisseur des (cid:29)asque statoriques e : . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3
2.3.6 In(cid:29)uence de l’Øpaisseur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1
2.3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.4 (cid:201)tudes de sensibilitØ (cid:16)globale(cid:17) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.4.1 PremiŁre Øtude : rayon externe constant R = Cst et longueur active variable 82
ext
2.4.2 DeuxiŁme Øtude : Longueur active constante L = Cst et rayon externe variable 84
a
2.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3 PrØ-dimensionnement analytique de la machine synchrone (cid:224) double excitation 91
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2 ModŁle linØaire sans fuite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.1 ModŁle du (cid:29)ux (cid:224) vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.2 ModŁle de la permØance dans l’axe direct (P ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
d
3.2.3 ModŁle de la permØance dans l’axe en quadrature (P ) . . . . . . . . . . . . . . 98
q
3.3 ModŁle de Park au premier harmonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4 (cid:201)tablissement de la mØthodologie de prØ-dimensionnement optimal de la MSAPConFDE103
3.4.1 DØtermination des di(cid:27)Ørents paramŁtres de la machine . . . . . . . . . . . . . 105
3.4.2 Cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.3 PremiŁre problØmatique de prØ-dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.4.3.1 Les contraintes du problŁme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.4.3.2 Les fonctions objectifs de l’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.4.4 Second problŁme de dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.4.4.1 Les contraintes du problŁme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.4.4.2 Les fonctions objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5 RØsultats des optimisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.5.1 RØsultats de la premiŁre problØmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.5.2 RØsultats de la seconde problØmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.6 AmØlioration des modŁles rØluctants : prise en compte du fer . . . . . . . . . . . . . . 119
3.6.1 ModŁle de l’axe direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.6.2 ModŁle de l’axe en quadrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.6.3 Mise en Øquation des modŁles rØluctants obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.6.4 Prise en compte de la saturation au niveau des rØluctances . . . . . . . . . . . . 126
3.7 AmØlioration des modŁles rØluctants : ajout des fuites magnØtiques . . . . . . . . . . . 129
3.7.1 ModŁle dans l’axe direct (Axe d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.7.1.1 Trajets 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.7.1.2 Trajets 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4 ThŁse S. HLIOUI
3.7.2 ModŁle dans l’axe q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.8 RØsultats des optimisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.8.1 RØsultats de la premiŁre problØmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.8.2 RØsultats de la seconde problØmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.9 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A Expression des di(cid:27)Ørentes rØluctances du fer du modŁle dans l’axe direct 151
B Expression des di(cid:27)Ørentes rØluctances du fer du modŁle dans l’axe en quadrature 155
Bibliographie 159
ThŁse S. HLIOUI 5

Remerciements
Les travaux de recherche exposØs dans ce mØmoire ont ØtØ rØalisØs aux laboratoires L2ES (Labora-
toire d’Ølectronique, Ølectrotechnique et systŁmes) puis SET (SystŁmes et transports) de l’UniversitØ
Technologique de Belfort-Montbeliard, en collaboration avec le laboratoire SATIE (SystŁmes et Appli-
cations des Technologies de l’Information et de l’(cid:201)nergie) de l’(cid:201)cole Normale SupØrieure de Cachan.
Je remercie vivement M.Aberra(cid:28)aa Koukam, directeur de SET ainsi que M. Sylvain Allano puis M.
Pascal Larzabal, successeur (cid:224) la direction du SATIE, de m’avoir accueilli au sein de leurs laboratoires
et de m’avoir o(cid:27)ert l’opportunitØ de rØaliser ces travaux dans les meilleures conditions.
Je suis Øgalement trŁs reconnaissant envers M. Pascal Brochet, Professeur des universitØs (cid:224) l’(cid:201)cole
Centrale de Lille, et M. Georges Barakat, Professeur des universitØs (cid:224) l’UniversitØ du Havre, qui ont
acceptØ la lourde t(cid:226)che d’Œtre rapporteurs de cette thŁse.
Je tiens (cid:224) remercier M. Jean-Paul Yonnet, Directeur de recherche CNRS, M. Franck Chabot,
Docteur ingØnieur au groupe PSA (Peugeot Citr(cid:246)en Automobiles), et M. Fahimi Babak, Professeur
desuniversitØs(cid:224)l’UniversitØdeTexas(UniversityofTexasatHarlington,USA),pourleurparticipation
(cid:224) l’Øvaluation scienti(cid:28)que de ces travaux, en qualitØ de membres du Jury.
Ma profonde gratitude s’adresse particuliŁrement (cid:224) M. Abdellatif Miraoui, Professeur des uni-
versitØs (cid:224) l’UniversitØ Technologique de Belfort-Montbeliard, et M. Mohamed Gabsi, Professeur des
universitØs (cid:224) l’(cid:201)cole Normale SupØrieure de Cachan, qui ont jouØ un r(cid:244)le essentiel dans la rØalisation
de ces travaux. Tout en me laissant une grande libertØ dans l’organisation de mon travail, M. Abdel-
latif Miraoui a assurØ sans faille le bon dØroulement de cette coopØration inter-universitaire, tant d’un
point de vue administratif que scienti(cid:28)que. Par son intelligence et sa rigueur tout autant que par ses
qualitØs humaines, M. Mohamed Gabsi a su inlassablement orienter mon travail et soulever les bonnes
questions, en me montrant la voie pendant toutes ces annØes.
Yacine Amara, Ma(cid:238)tre de ConfØrence (cid:224) l’UniversitØ du Havre, et Lionel Vido, Ma(cid:238)tre de ConfØrence
(cid:224) l’UniversitØ IUP GEII de Cergy Pontoise, par leur co-encadrement ØclairØ et leurs conseils, ont
Øgalement apportØ une aide prØcieuse pour mener (cid:224) bien ce travail.
Que M. Michel LØcrivain, IngØnieur d’Øtude (cid:224) l’Øquipe SETE du laboratoire SATIE, trouve ici
l’expression de ma sincŁre reconnaissance pour son soutient et ses encouragements, exprimØs avec une
grande gentillesse, des plus utiles (cid:224) l’aboutissement de cette thŁse.
J’ai eu la chance de pouvoir e(cid:27)ectuer mon travail dans un cadre tout (cid:224) fait exceptionnel, gr(cid:226)ce aux
compØtences et (cid:224) la disponibilitØ de ses membres. Que M. Hamid Ben Ahmed, M. Bernard Multon,
EmmanuelHoang,XavierMininger,CØdricBernez,XavierOjedaetOlivierDeLaBarriŁre,Abdesslem
Djerdir, soient remerciØs. Les discussions que j’ai pu avoir avec eux se sont toujours avØrØes fructueuses
et enrichissantes. A cela s’ajoute l’aide et l’amabilitØ des agents administratifs et techniques de SATIE
et SET.
En(cid:28)n, mais non pas en dernier lieu, merci (cid:224) ma famille, (cid:224) Alina et (cid:224) mes amis, pour leur pa-
tience et pour m’avoir accompagnØ tout au long de cette recherche, chacun (cid:224) sa maniŁre, mais tous
inconditionnellement.
ThŁse S. HLIOUI 7

Introduction GØnØrale
Les di(cid:27)Ørentes Øvolutions technologiques dans le domaine automobile par l’intØgration de nouvelles
fonctionnalitØs spØci(cid:28)ques au confort de l’automobiliste (vitres Ølectriques, toit ouvrant Ølectrique,
siŁges chau(cid:27)ant,...) et d’autres spØci(cid:28)ques (cid:224) la sßretØ de conduite (systŁme d’aide au freinage d’ur-
gence, systŁme anti dØrapage,...) a entra(cid:238)nØ une augmentation importante de la consommation Ølec-
trique (cid:224) bord de ces vØhicules. L’alternateur (cid:224) gri(cid:27)es, structure de rØfØrence utilisØe pour la gØnØration
de l’Ønergie Ølectrique embarquØe dans les applications automobiles, atteint ses limites de puissance
volumique malgrØ les di(cid:27)Ørentes amØliorations qui lui ont ØtØ apportØes [1] : amØlioration du coe(cid:30)cient
de bobinage, du rendement, etc ...
La machine synchrone (cid:224) aimants permanents, de part son importante puissance volumique, se situe
comme Øtant une solution intØressante pour relayer la machine (cid:224) gri(cid:27)es. Cependant, contrairement (cid:224) la
machine(cid:224)gri(cid:27)esquidØbitesurunpontdediodes((cid:28)gure1),lapertedecontr(cid:244)ledu(cid:29)uxinducteurdans
les structures (cid:224) aimants ((cid:28)gure 2) nØcessite l’utilisation d’un redresseur commandØ. Pour des raisons
Øconomiques, le passage vers des redresseurs commandØs n’est pas envisageable, (cid:224) court terme, par les
di(cid:27)Ørents Øquipementiers et constructeurs automobiles. A(cid:28)n de concilier l’utilisation des structures (cid:224)
aimants permanents avec un redresseur (cid:224) diodes, l’Øquipe SETE du laboratoire SATIE [2, 3] comme
la sociØtØ Valeo en France : [4, 1], et d’autres Øquipes aux (cid:201)tats Unis d’AmØrique [5], en Chine [6, 7],
au Japon [8, 9], prospectent des topologies de machines qui permettraient de combiner la souplesse de
fonctionnement de la machine (cid:224) excitation bobinØe (comme la machine (cid:224) gri(cid:27)es) aux avantages de la
machine (cid:224) aimants permanents (puissance volumique et rendements importants). Parmi les solutions
prØsentØes, nous trouvons celles qui disposent de bobines d’excitation auxiliaires, dites machines (cid:224)
double excitation, et qui permettent de contr(cid:244)ler le (cid:29)ux gØnØrØ par les aimants permanents ((cid:28)gure 3).
I I
f N V Consommation f N V Consommation
s électrique S s électrique
Figure1(cid:21)SchØmadeprinciped’unemachine Figure2(cid:21)SchØmadeprinciped’unemachine
(cid:224) gri(cid:27)es - fonctionnement alternateur (cid:224) aimants permanents - fonctionnement alter-
nateur
ThŁse S. HLIOUI 9
Bobine de double excitation
N V Consommation
S s électrique
Figure 3 (cid:21) SchØma de principe d’une machine (cid:224) double excitation - fonctionnement alternateur dØbi-
tant sur un pont de diode
Dans le cadre d’une application vØhicule hybride oø la machine Ølectrique joue le double r(cid:244)le
d’alternateur et de moteur de traction, le pont de diodes dispara(cid:238)t pour cØder sa place (cid:224) un onduleur
(cid:224) transistor. On peut alors s’interroger sur l’intØrŒt de telles topologies de machines pour de telles
applications.
A(cid:28)n de mettre en Øvidence l’intØrŒt qu’elles peuvent prØsenter par rapport aux machines (cid:224) aimants
permanents, nous considØrons un dimensionnement, thØorique, de ces deux machines pour un cahier
des charges type vØhicule hybride en fonctionnement moteur.
Dans ce cahier des charges, nous pouvons distinguer quatre points dØterminants ((cid:28)gure 4) :
1. Un couple trŁs important (cid:224) basse vitesse pendant un temps de fonctionnement trŁs rØduit, dit
couple impulsionnel (C , Ω ).
imp imp
2. Un couple permanent (cid:224) basse vitesse (C < C , Ω > Ω ).
permanent imp permanent imp
3. Un couple trŁs sollicitØ (cid:224) basse vitesse (C ≤ C , Ω (cid:39) Ω ).
ps permanent ps permanent
4. Un couple trŁs faible (cid:224) haute vitesse (C (cid:28) C , Ω (cid:29) Ω ).
lim ps lim ps
Couple
1
2
3
4
Vitesse
Figure 4 (cid:21) Points dØterminants du plan couple-vitesse
ConsidØrons le premier point et le quatriŁme point de fonctionnement qui prØsentent des exigences
defonctionnementtrŁsdi(cid:27)ØrentesettrŁscontraignantes.Danslecasdelamachine(cid:224)aimants,lecouple
impulsionnel, de part sa valeur trŁs importante, nØcessite un (cid:29)ux (cid:224) vide et / ou des ampŁres-tours
1
assez consØquents. La premiŁre solution consisterait (cid:224) augmenter le (cid:29)ux d’excitation dans la machine
(par accroissement de la taille des aimants permanents par exemple) . Ceci entra(cid:238)nera une rØduction
consØquentedel’aptitudedelastructureaudØ(cid:29)uxageØlectroniqueetlamachinenepourrapasatteindre
1. Le volume externe de la machine Øtant bien sßr constant.
10 ThŁse S. HLIOUI