M. Hecquet, J. Le Besnerais, A. Fasquelle, S. Kreuawan, F. Moussouni, F. Gillon, S. Brisset, P. Brochet.

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1 CNRT Futurelec Lille Salon SIFER Juin LILLE Machines électriques d avenir M. Hecquet, J. Le Besnerais, A. Fasquelle, S. Kreuawan, F. Moussouni, F. Gillon, S. Brisset, P. Brochet. Laboratoire d Electrotechnique et d Electronique de Puissance de Lille (L2EP) Equipe COSME à l Ecole Centrale de Lille

2 Plan Introduction Etat des lieux & contexte de l étude Objectifs technologiques Démarche et Modélisation multi-physiques Optimisation multi-objectifs Applications machines de traction de type asynchrone Résultats sur la modélisation multi-physiques Résultats sur l optimisation multi-objectifs Conclusions et. 1

3 Introduction & MSAP Les moteurs d avenir? Travaux sur les structures (à aimants, matériaux), intégration système, Travaux sur les aspects environnementaux (bruit, écoconception, efficacité énergétique ) Travaux sur les outils et les méthodes de conception optimale multi-physiques et multi-disciplinaires 2

4 Introduction & MSAP Travaux de recherche en cours Programme CNRT Futurelec3 (Région / ANR / Feder - ALSTOM) Machines électriques à faible impact environnemental pour les transports du futur 3 thèses + 4 CDD (4 enseignants-chercheurs) avec le LME modélisation multi-physiques, optimisation multi-objectif, instrumentation de la démarche de conception. Programme PREDIT Prosodie (ADEME / ALSTOM) Propulsion Silencieuse Optimisée et Dimensionnée pour l environnement 2 thèses, L2EP & LEC, LMM (Paris IV), Vibratec, EuroExA. Partenaires ALSTOM TR ANSPORT Ornans / Tarbes / Charleroi L2EP (COSME) Laboratoire d Electrotechnique et d Electronique de Puissance de Lille LME Laboratoire de Mécanique Énergétique de Valenciennes LEC Laboratoire d Electromécanique de Compiègne (UTC). 3

5 Introduction (Etat des lieux) Moteurs de traction ALSTOM-TRANSPORT Machines asynchrones Machines asynchrones : 2500/an Puissance de kw. Machines synchrones : 500/an de kw (bobiné) 100/an de 100 à 700kW (à aimants) Machines synchrones Marché de petite série. Amélioration continue de moteurs catalogues. Validation du moteur (prototypes & essais d'investigations sur bancs) 4

6 Introduction 5 Objectifs technologiques accroissement de l efficacité énergétique, réduction des encombrements et des masses, maintien de la température à un niveau acceptable, réduction des nuisances comme le bruit et les vibrations. Résultats attendus : Prise en compte du bruit et des vibrations dès la phase de conception de la machine, Développement d un outil d aide à la conception, Bon compromis niveau acoustique température performances : optimisation multi-objectif.

7 Démarche et s s dév eloppée Thématiques et démarches scientifiques : * Modèle de conception : Prise en compte du bruit d origine électromagnétique, Prise en compte de la thermique et l aéraulique des différents types de machines, - machine refroidie par eau, par air complètement fermée. * Thématiques : Refroidissement par air conception multi-physique de machines de traction ferroviaire, optimisation multi-objectif dans le contexte de la conception en électrotechnique. 6

8 Démarche et s s dév eloppée Modélisation multi-physiques LME: Etude et modélisation aéro-thermique Identification de coefficients d échange L2EP: Etude et modélisation électrique, magnétique et vibro-acoustique Calcul de pertes Calcul des vibrations Calcul du bruit rayonné (électromagnétique) LEC: Association convertisseurs Stratégies MLI vitesses d air en partie frontale, Code FLUENT (aéraulique) Modèle électromagnétique (induction b, forces magnétomotrices fmm, pertes Électromagnétiques, s MLI ) B, Forces Modèle vibro-acoustique (raies v ibratoires et fréquences associées ) Pertes Températures Données d entrée 7 Modèle aérothermique (températures ) Étude aérothermique (cartes de débit, coefficient d échange conv ectif ) 1

9 Démarche et s s Modélisation multi-physiques dév eloppée 150 B(t,θ) F r equency H z S pectre vibratoire db, 110 A db 50 F(θ,t) S pectre du bruit db, F réqu ences Fr, modes INDUCT ION, FORCE VIBRAT IONS BRUIT Modèle vibro-acoustique de la machine 9

10 Démarche et s s a) Optimisation par plans d expériences (mono-objectif) dév eloppée Paramètres d entrée : Ns, Nr, H culasse, Larg Dent,. Modèle Electromagnétique B(θ,t) F(θ,t) Modèle thermique Temp. Modèle vibroacoustique spectre (db) Machine optimale Optimisation par Plans d expériences SOPHEMIS Contraintes sur le bruit d origine électromagnétique 10 Optimisation avec comme contrainte la réduction du bruit d origine électromagnétique. tique.

11 Démarche et s s b) Optimisation multi-objectifs dév eloppée Présentation de différentes méthodes : - Utilisation des algorithmes génétiques(nsga II), méthodes hybrides, méthodes heuristiques. mode de représentation par Front de Pareto 2D ou 3D 11

12 Applications aux machines de traction Étude de sensibilité vibro-acoustique de la machine asynchrone Compromis nombre d encoches stator / rotor appliquée à la problématique de la vitesse variable (minimisation du bruit d origine électromagnétique) Prédiction sur différentes gammes de machines Bruit(dB) Amplitude ,6 db 579,1 Hz fs. (Z r /p+2) Spectre vibratoire dynamique de la 93 db 1805 Hz Effet de denture 91 db 2765 Hz Yd0 Yd2 Yd4 Yd6 Yd8 Yd Zr encoches rotor fréquence (Hz) fréquence (Hz) Fréquence (Hz) Niveau du bruit minimum Meilleure configuration 12 Niveau du bruit acoustique < 60 db pour une plage de fréquence 80Hz 200Hz

13 Applications aux machines de traction Exemple de résultats obtenus sur une optimisation multi-objectif Zones de déduction optimales au niveau acoustique Cout Front de PARETO 3D (bon compromis : Prix / Bruit / η) Front de Pareto 3D avec 100 individus Meilleur point (Bruit) Meilleur point (Invrendement) Meilleur point (Cout) Meilleurs points (3 objectifs) Autres points Point Initial Bruit (db) (3 iso surfaces : 75, 80 et 85 db) Inv-rend (%) (bruit, coût, rendement) Bruit (db) 13

14 Applications aux machines de traction Exemple de résultats obtenus sur une optimisation multi-objectif Cartographie de T (calage avec les essais) À vide ESSAIS ½ charge Pleine charge Simulation à vide 14

15 Conclusions - Les moteurs de tractions de l avenir seront des moteurs optimisés sur le cycle de vie, en terme de: - Efficacité énergétique - Fiabilité - Impact environnemental - Leur conception et leur mise au point nécessitent des progrès important en modélisation fine multiphysique et multidisciplinaire ainsi qu en optimisation multi objectif et systémique. - Ces avancées scientifiques sont en cours avec le groupe ALSTOM Transport 15

16 Perspectives Conception et Optimisation systémique multi-niveaux Formulations & Méthodes Système Système Sous système Composant Composant Sous système Composant Composant Composant Collaborative Optimization Analytical Target Cascading 2 méthodes de conception multi-niveaux 16 Utilisation d algorithme d optimisation classique avec la difficulté de passer les objectifs et les contraintes entre les boucles

17 CNRT Futurelec Lille Salon SIFER Juin LILLE Machines électriques d avenir M. Hecquet, J. Le Besnerais, A. Fasquelle, S. Kreuawan, F. Moussouni, F. Gillon, S. Brisset, P. Brochet. Laboratoire d Electrotechnique et d Electronique de Puissance de Lille (L2EP) Equipe COSME à l Ecole Centrale de Lille