Optimisation des performances électromagnétiques et acoustiques des transformateurs et machines électriques tournantes

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1 11/06/2015 Optimisation des performances électromagnétiques et acoustiques des transformateurs et machines électriques tournantes LIU Mingyong (Bourse IDEX Paris-Saclay) Thèse en collaboration GeePs et LMT-Cachan, sous direction de Xavier Mininger, Olivier Hubert et Frédéric Bouillault 1

2 Introduction Contexte : Multiplication des matériels électriques de confort et développement de systèmes plus électriques ou tout électriques Problème : Augmentation de puissance électrique, mais les dispositifs doivent être légers et silencieux Solution : Utilisation de nouveaux matériaux de perméabilité élevé et déformation faible. -> Nécessité d un outil de modélisation pour optimiser les aspects matériau et système des dispositifs 2

3 Problématique Transformateur Noyau Bobinages Source de bruits : Bobinages : Force Lorentz Noyau : Force magnétique, Magnétostriction. 3

4 Démarche de modélisation 2D Material Parameters J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain 4

5 Démarche de modélisation 2D Material Parameters J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain Central coils Current injection 4

6 Démarche de modélisation 2D Magnetic Induction (T) Material Parameters J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain Central coils Current injection 4

7 Démarche de modélisation 2D Magnetic Induction (T) Material Parameters J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain Central coils Current injection 4

8 Démarche de modélisation 2D Magnetic Induction (T) 2 H = 0 F = 0 Initial State 1 H F = 0 Magnetostrictive Deformation 0 Material Parameters H = 0 F Elastic Deformation J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain Central coils Current injection 4

9 Démarche de modélisation 2D Magnetic Induction (T) 2 H = 0 F = 0 Initial State 1 H F = 0 Magnetostrictive Deformation 0 Material Parameters H = 0 F Elastic Deformation J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain Central coils Current injection 4

10 Démarche de modélisation 2D Magnetic Induction (T) 2 Displacements (m) H = 0 F = 0 Initial State 1.2e-7 1 H F = 0 Magnetostrictive Deformation 8e-8 4e-8 0 Material Parameters H = 0 F Elastic Deformation J Magnetic Field Calculation ~H Homogenized Multi-scale Model µ Feq ~ F ~ eq n U Equivalent Force FFT Mechanical Resolution U n IFFT ~M Magnetic Resolution Frequency domain Central coils Current injection 4

11 Caractéristiques du FeSi grain orienté Remplacer Fe-3% non-orienté Si par FeSi GO O. Hubert and L. Daniel. Multiscale modeling of the magneto-mechanical behavior of grain-oriented silicon steels. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 320(7) : , April Dans la direction de laminage (RD) : Forte perméabilité magnétique et déformation de magnétostriction très faible Mais dans la direction transverse (TD) : Perméabilité magnétique faible et déformation de magnétostriction importante 5

12 Caractéristiques du FeSi grain orienté Remplacer Fe-3% non-orienté Si par FeSi GO O. Hubert and L. Daniel. Multiscale modeling of the magneto-mechanical behavior of grain-oriented silicon steels. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 320(7) : , April Dans la direction de laminage (RD) : Forte perméabilité magnétique et déformation de magnétostriction très faible Mais dans la direction transverse (TD) : Perméabilité magnétique faible et déformation de magnétostriction importante 5

13 Circuit magnétique Noyau du transformateur Les tôles sont superposées l une sur l autre pour limiter l entrefer parasite Problème étudié : Nécessité d homogénéiser l empilage des tôles. 6

14 Circuit magnétique Noyau du transformateur Les tôles sont superposées l une sur l autre pour limiter l entrefer parasite Problème étudié : Nécessité d homogénéiser l empilage des tôles. 6

15 Circuit magnétique Noyau du transformateur Les tôles sont superposées l une sur l autre pour limiter l entrefer parasite Problème étudié : Nécessité d homogénéiser l empilage des tôles. 6

16 Circuit magnétique Fraction volumique Noyau du transformateur RD TD RD RD RD RD TD RD TD f1=2/3 f2=1/3 f1=0 f2=1 f1=1/3 f2=2/3 Hypothèses : H hom o = H 1 = H 2 ε 1 = ε 2 Loi d homogénéisation M hom o = f 1 M 1 + f 2 M 2 µ ε hom o = f 1 ε 1 µ + f 2 ε 2 µ Les tôles sont superposées l une sur l autre pour limiter l entrefer parasite Problème étudié : Nécessité d homogénéiser l empilage des tôles. 6

17 Tests vibratoires Excitation Accéléromètre Nécessité d une correction du mouvement de corps solides 7

18 Displacement (m) U x measured -2 U x simulated U y measured U y simulated T (s) 10-3 GO à l excitation 400Hz Displacement (m) Analyse temporelle -1 U x measured -2 U x simulated U y measured U y simulated T (s) ref y x Displacement (m) U x measured -2 U x simulated U y measured U y simulated T (s) 10-3

19 Perspectives Chercher l optimal entre différentes structures, matériaux et fréquences d excitations. Faire le couplage fort, en tenant compte de contrainte appliquée et contrainte induite. Faire la simulation en 3D, en tenant compte de l entrefer entre les pièces. Publication M. LIU, O. HUBERT, X. MININGER, F. BOUILLAULT, L. BERNARD. Calculation of Magnetostriction Induced Deformations in Grain Oriented and Non-Oriented Silicon Iron Transformer Cores Thanks to an Imposed Magnetic Flux Method. COMPUMAG M. LIU, O. HUBERT, X. MININGER, F. BOUILLAULT, L. BERNARD. Application du Couplage Magneto-mécanique à la Prédiction de la Déformation des Transformateurs dû à la Magnetostriction. CFM