Modélisation et optimisation de structures de machines électriques pour applications à fort couple volumique. Paul Akiki

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1 Modélisation et optimisation de structures de machines électriques pour applications à fort couple volumique Paul Akiki Journée des doctorants 11/06/2015 Directeur de thèse : Mohamed Bensetti Encadrants : Jean-Claude Vannier Philippe Dessante Maya Hage-Hassan Thèse CIFRE Début de thèse: Octobre 2014

2 Plan 1. Présentation du sujet de thèse 2. Étude bibliographique 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis 4. Modèle analytique du bobinage sur dents 5. Perspectives 2

3 Plan 1. Présentation du sujet de thèse 2. Étude bibliographique 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis 4. Modèle analytique du bobinage sur dents 5. Perspectives 3

4 1. Présentation du sujet de thèse Recherche d un actionneur électrique à fort couple Densité volumique de couple élevée Coût minimal Moteur électrique Basse vitesse Rendement élevé Etape d optimisation pour atteindre les performances souhaitées 4

5 Plan 1. Présentation du sujet de thèse 2. Étude bibliographique 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis 4. Modèle analytique du bobinage sur dents 5. Perspectives 5

6 2.Étude bibliographique Quel type de moteur: Asynchrone/Synchrone? Comparer différentes structures de machine asynchrone (MAS) et de machines synchrones (MS) pour des applications à fort couple : MAS, Rotor Bobiné, MS Aimants Intérieurs, Machine Synchro-Réluctante, Machines à Flux Axial, etc. Relever les avantages et les inconvénients de ces structures Résultat: Machines synchrones (à aimants permanents, à réluctance, à flux axial, etc.) pour des applications à forte densité de couple 6

7 2.Étude bibliographique État de l art des machines synchrones fort couple Recherche de structures radiales et axiales dédiées à des applications exigeant une forte densité de couple Classification des structures trouvées dans un tableau avec leurs principales caractéristiques Exemple du tableau: 7

8 2.Étude bibliographique Analyse de la classification réalisée Objectifs Lisible Evolutif Comparatif Tri selon un caractère Tableau croisé dynamique Identifier les combinaisons de machines trouvées dans les articles référencés. Compter le nombre de machines réalisées selon chaque principe de fonctionnement. Identifier les combinaisons non existantes dans la classification. 8

9 Plan 1. Présentation du sujet de thèse 2. Étude bibliographique 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis 4. Modèle analytique du bobinage sur dents 5. Perspectives 9

10 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Etude comparative de 4 structures de machines Machines à aimants en surface Machine à concentration de flux Machine à aimants en V Machine à commutation de flux Outil: FEMM (EF2D) + Matlab Géométries: Bobinage concentré sur dents p=4 (8 pôles) pour les machines à aimants au rotor Nr = 10 ou 14 pour les machines à commutation de flux Mêmes dimensions du stator et du rotor pour toutes les machines Même volume d aimants pour toutes les machines Hypothèses N = 750 rpm Bases de comparaison: même nombre de spires et même courant efficace dans les bobines (mêmes Ampères-tours) 10

11 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Machine à aimants en surface Machine à concentration de flux Machine à aimants en V Machine à commutation de flux 12/10 11

12 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Simulations avec 2 types d aimants: 1. Aimants: NdFeB Couple Massique Facteur de puissance Harmoniques de tension Aimants en surface Concentration de flux Aimants en V Commutation de flux 12/10 Commutation de flux 12/ Aimants: Ferrites pour réduire le coût les performances se dégradent 12

13 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Les machines à commutation de flux sont prometteuses au niveau couple Objectif: améliorer le FP Commutation de flux 12/10 Commutation de flux 12/14 Commutation de flux 6/7 FP faible Meilleur FP mais couple moins élevé Bobiner 1 dent sur deux (alternate pole wound): FP augmente mais le couple est pratiquement divisé par 2 13

14 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Introduction de la machine synchro-réluctante assistée par des aimants: Deux types de barrières Machine 8 pôles et 12 dents Barrières en U Machine 8 pôles et 12 dents Barrières en V Le volume des aimants est identique pour les deux machines Les dimensions géométriques sont identiques aux autres machines déjà simulées 14

15 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Construction des courbes de comparaisons Exemple: Machine à aimants en surface À I = cte, on fait varier l angle α Courbe: C= fct (FP) α=0 d β α q I α=90 elec 15

16 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis PMASynRM ont tendance à développer de meilleures performance en couple et FP 16

17 Plan 1. Présentation du sujet de thèse 2. Étude bibliographique 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis 4. Modèle analytique du bobinage sur dents 5. Perspectives 17

18 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Modèle analytique Théorème d Ampère Conservation du flux Relations constitutives des milieux Hypothèses: Rotor en linéaire avec μ fer = 10 6 et pas de fuites d encoches Stator en saturé avec courbe B(H) 18

19 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Résultats: B entrefer J= 4 A/mm² (rms) J= 6 A/mm² (rms) J= 8 A/mm² (rms) Ecart de l amplitude entre les fondamentaux de Be (MA et EF) J = 4 A/mm² (rms) 0,17 % J = 6 A/mm² (rms) 0,28 % J = 8 A/mm² (rms) 0,4 % 19

20 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Résultats: B dents et B culasse J= 8 A/mm² (rms) J= 8 A/mm² (rms) Modèle des dents correct Modèle de la culasse correct 20

21 Plan 1. Présentation du sujet de thèse 2. Étude bibliographique 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis 4. Modèle analytique du bobinage sur dents 5. Perspectives 21

22 5. Perspectives Choix d une structure de machine Analyse approfondie de la structure choisie: nombre de pôles, ondulations de couple, rendement, etc. Améliorations des performances pour répondre au cahier des charges Poursuivre la modélisation analytique Amélioration de la modélisation du bobinage sur dents Prise en compte des fuites dans les encoches Prise en compte de la structure du rotor choisie 22

23 Merci pour votre attention 23

24 Annexes 24

25 3. Étude comparative par simulations Éléments Finis Cmax =107 Nm FP = 0,67 Même volume d aimants pour toutes les machines: égal à celui de la machine en V à 2 barrières avec e aimants = 3 mm Machine à 1 barrière: e aimants 3 mm pour garder le même volume d aimants que les autres machines La machine avec 2 barrières en V développe le meilleur couple au meilleur FP 25

26 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Géométrie du stator avec rotor en disque plein Dans toute la suite : Rotor linéaire avec μ fer = 10 6 et pas de fuites d encoches: μ Cu = 10-3 Stator saturé avec courbe B(H) 26

27 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Force magnétomotrice Pour chaque dent fmm = Ni Pour les encoches fmm = 0 [0,θ 1 ] IA [θ 2, θ 3 ] IB [θ 4, θ 5 ] IC [θ 6, 360] IA Le reste est nul 27

28 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Théorème d Ampère Pour θ entre 0 et 359 elc: Be(θ) e.kc Be(360) 360 e.kc+ Hds θ. hds Hds 360. hds + Rc Hcs δ dδ = fmm(360) fmm(θ) μ 0 μ 0 <Be> = 0 (pour le calcul du 360 ème point) θ 28

29 4. Modélisation analytique du bobinage sur dents Modèle des dents L induction dans une dent est supposée constante. La conservation de flux : φ ds = φ e sur un pas dentaire θ 1 + τ ds 2 B ds θ 1 l ds L = L R ales B e δ dδ θ 1 τ ds 2 De même pour B ds θ 2 etb ds θ 3 L (profondeur de la machine) L induction est nulle dans les encoches [0, l ds 2 ] B ds θ 1 [θ 2 l ds 2, θ 2 + l ds 2 ] B ds θ 2 [θ 3 l ds 2, θ 3 + l ds 2 ] B ds θ 3 [360 l ds 2, 360] B ds θ 1 Le reste est nul 29