Sujet 2 : Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à faible vitesse de rotation. Nom Mohamed El-Hadi Zaïm Directeur de thèse Co-encadrant Co-encadrant Financement envisagé Email el-hadi.zaim@univ-nantes.fr téléphone Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement Polytech Nantes (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours 2 Nom Nicolas Bracikowski Email nicolas.bracikowski@univ-nantes.fr téléphone Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement IUT Saint-Nazaire (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours 1 Nom Luc Moreau Email téléphone luc.moreau@univ-nantes.fr Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement Polytech Nantes (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours 2
Résumé du sujet de la thèse (3 à 5 lignes) Résumé Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à faible vitesse de rotation L étude concerne le développement, la modélisation et l optimisation de génératrices lentes à attaque directe. On s intéresse aux machines à rotor passif et plus particulièrement à la machine DSPM (Doubly Salient Permanent Magnet). Il s agit d optimiser leurs géométries et leurs fréquences de conversion en tenant compte de la source primaire et de leurs alimentations.
Descriptif du sujet de thèse (2 pages au maximum) Sujet : Dans les applications liées aux systèmes d énergies marines (e.g. éolienne offshore et hydrolienne), la minimisation de la maintenance est primordiale du fait de leur difficulté d accès. Afin de s affranchir de la maintenance du multiplicateur mécanique de vitesse, l utilisation de génératrices à attaque directe semble avantageuse. Les machines à aimants permanents sont particulièrement intéressantes pour ces applications à basse vitesse et plusieurs structures de génératrices sont proposées dans la littérature [1-6]. Fig.1 DSPM (Doubly Salient Permanent Magnet). Des structures à rotor robuste peuvent être envisagées. Nous nous intéressons à des machines à réluctance variable possédant un rotor passif et un stator à plots comportant des aimants (Fig.1). Le bobinage global de ces machines est ainsi facile à réaliser, à refroidir et à surveiller. Problématique : Le travail à réaliser concerne l optimisation sur cycle de l énergie massique d une génératrice hydrolienne. Lors de cette étude, différentes structures à rotor passif seront étudiées. Ces dernières peuvent avoir des géométries complexes avec de fortes saturations. La modélisation devra tenir compte des effets physiques (électromagnétisme, thermique), de l électronique de puissance ainsi que des effets environnementaux (houle, sillage hydrodynamique, etc.) (Fig.2). La modélisation électromagnétique hybride, modèle réluctant couplé à un modèle éléments finis, doit permettre de réduire significativement le temps d évaluation des structures spéciales retenues, en particulier en régime fortement saturé, ce qui permet d envisager une optimisation sur cycle de l ensemble «convertisseur-machine». L instrumentation du nouveau banc d essai du laboratoire permettra la validation expérimentale de la modélisation de la machine dite «DSPM» (Doubly Salient Permanent Magnet) (Fig.3). Current speed as a function of tidal hours for March 2007 Spring Tides Current speed (m/sec) Neap Tides Time (hours) Fig 2 Cycle des courants marins. Fig 3 Prototype DSPM.
Plan de travail - Réaliser une étude comparative de plusieurs structures de génératrices lentes à rotor passif. - Développement d une modélisation hybride des phénomènes électromagnétiques des structures retenues, couplant modèle éléments finis et modèle réluctant (Fig.4.) [7-9]. On s intéressera en particulier au compromis entre le temps de calcul et la précision. - Optimisation du couple massique des structures retenues en couplant le modèle magnétique hybride à un algorithme d optimisation. - Optimisation sur cycle de l énergie massique, en tenant compte des perturbations de l énergie primaire ainsi que des interfaces d électronique de puissance. - Instrumentation du nouveau banc d essai du laboratoire et validation expérimentale. Fig.4. Modèle hybride [10]. Références : [1] Saou, R., Zaïm, M. E., Et Alitouche, K., Optimal designs and comparison of the doubly salient permanent magnet machine and flux-reversal machine in low-speed applications. Electric Power Components and Systems, 2008, vol. 36, no 9, p. 914-931. [2] Moreau, L., Zaïm, M. E. H., Machmoum, M., Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High-torque Applications. Electric Power Components and Systems, 2014, vol. 42, no 6, p. 629-638. [3] Chen, H., Ait-Ahmed, N., Machmoum, M., et al. Modeling and current control of a double salient permanent magnet generator (DSPMG). In : Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on. IEEE, 2013. p. 1-10. [4] Chen, H., Ait-Ahmed, N., Zaïm, E. H., et al. Marine tidal current systems: State of the art, Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012. p. 1431-1437. [5] Moreau, L., Huang, J., Zaïm, M.E., Tang, T., Multiobjective Design Optimization of a Low Speed Slotted Doubly Salient Permanent Magnet Machine, accepté à paraitre, Numelec 2015. [6] Harkati, N., Moreau, L., Zaïm, M. E., et al. Low speed doubly salient permanent magnet generator with passive rotor for a tidal current turbine, Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2013 International Conference on. IEEE, 2013. p. 528-533. [7] Philips, D.A., Coupling finite elements and magnetic networks in magnetostatics, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 35, no. 10, pp. 1991-2002, 1992. [8] Dular,P. Gyselinck, J., and Henneron,T., Piriou, F., Dual Finite Element Formulations for Lumped Reluctances Coupling, IEEE Transaction on Magnetics, vol. 41, no. 5, pp. 1396-1943, May 2005. [9] Gyselinck, J., Dular, P., Legros, W., & Grenier, D. (2003)., Hybrid magnetic equivalent circuit finite element modelling of transformer fed electrical machines. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 22(3), 643-658. [10] Nedjar, Boumedyen. Modélisation basée sur la méthode des réseaux de perméances en vue de l'optimisation de machines synchrones à simple et à double excitation. 2011. Thèse de doctorat. École normale supérieure de Cachan- ENS Cachan. [11] Bracikowski, N. Modélisation multi-physique par modèles à constantes localisées; Application à une machine synchrone à aimants permanents en vue de son dimensionnement. 2012. Thèse de doctorat. École Centrale de Lille.
CV du directeur de thèse (1 page au maximum) ZAÏM Mohammed El-Hadi, Professeur à l Ecole polytechnique de l Université de Nantes (63 ème section) Docteur-Ingénieur en Génie Electrique de l INPL, Nancy. 1979 Docteur d Etat en Génie Electrique, ENP Alger, 1989 Habilité à Diriger des Recherches, Université de Nantes, 2000 Téléphone : 02 40 17 26 08 e.mail : el-hadi.zaim@univ-nantes.fr ACTIVITES DE RECHERCHE Mes travaux sont actuellement effectués dans l équipe MDE, Modélisation de Dispositifs Electromagnétiques, de l Institut de Recherches IREENA, EA 4642. Je m intéresse à la modélisation, la conception, l optimisation et le développement d actionneurs spéciaux pour les applications embarquées et les machines à attaque directe pour la production de l énergie. ARTICLES DE REVUE ET OUVRAGES DEPUIS 2009 [P1] M.E. Zaïm High speed solid rotor synchronous reluctance machine. Design and optimization. IEEE Transactions on magnetics, Vol 45, issue 3, 2009. [P2] M. Belhaj, P. Guérin, M.E. Zaïm, L. Abdeljalil Influence of the frequential identification tests on the induction machine modelling. The European Physical Journal, Applied Physics, EPJ AP, vol 47, n 3, 31101 pp 1-10, Sept 2009. [P3] R. Saou, M.E. Zaïm, K. Alitouche Modelling and Design of a Low Speed Flux Reversal Machine, Journal of electrical systems, Special Issue N 01, pp18-23, November 2009 [P4] A. Tounzi, B. Ramdane, M.E. Zaïm Study and experimentation of a rotor current excited Vernier reluctance machine aimed to direct-driven applications. The European Physical Journal, Applied Physics, EPJ AP, vol 52, 11102 (2010) pp 1-11, October 2010. [P5] N. Bernard, F. Martin, M.E. Zaïm, Design methodology of a permanent magnet synchronous machine for a screwdriver application, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 27, n 3, pp624-633, Sept. 2012 [P6] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High-torque Applications. Electric Power Components and Systems, Vol 42, Issue 6, 2014. [P7] F. Martin, M.E. Zaïm, M. Tounzi, N. Bernard Improved analytical determination of eddy current losses in surface mounted permanent magnets of synchronous machine, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 50, n 6, 2014 [P8] A. Belahcen, F. Martin, M.E. Zaim, E. Dlala, Z. Kolondzovski Combined FE and Particle Swarm Algorithm for Optimization of High Speed PM Synchronous Machine. To be published in COMPEL Journal [Ouv1] R. Le Doeuff, M. E. Zaïm Machines électriques tournantes. De la modélisation matricielle à la mise en œuvre. Ed. Hermes Science Lavoisier, 268 pages, avril 2009. ISBN 978-2-7462-1788-1 [Ouv2] R. Le Doeuff, M. E. Zaïm Rotating electrical machines. Traduction de [Ouv2]. Ed. ISTE Ltd John Wiley, 291 pages, 2010. ISBN 978-1-84821-169-8. This book is the English version of the previous [Ouv1] [Ouv3] A. Rezzoug, M.E. Zaïm (sous la direction de) Machines électriques non conventionnelles, Ed. Hermes Science Lavoisier, 261 pages, 2011. ISBN 978-2-7462-2574-9. [Ouv4] A. Rezzoug, M.E. Zaïm (Edited by) Non-conventional Electric Machines, Traduction de [Ouv3] Ed. ISTE Ltd John Wiley, 262 pages, 2012. ISBN 978-1-84821-300-5. This book is the English version of [Ouv3] [Ouv5] M.E. Zaïm, R. Le Doeuff, M.F. Benkhoris, M. Machmoum Machines électriques tournantes. Exercices et problèmes corrigés, Ed. Hermes Science Lavoisier, 294 pages, 2012, ISBN 978-2-74623-826-8 THESES ENCADREES DEPUIS 2009 [T1] - F. MARTIN Contribution au dimensionnement optimal de machines synchrones à aimants déposés en surface pour applications haute vitesses, Université de Nantes, avril 2013. [T2] Hao CHEN Modeling and control of a marine current energy conversion system using a doubly salient permanent magnet generator, Université de Nantes, 11 juillet 2014. [T3] Nacereddine Harkati Modelisation et conception de génératrices lentes pour hydrolienne, University of Nantes, soutenance prévue en juin 2015. [T4] Nassim Bekka Modélisation et optimisation d actionneurs rotatifs fort couple pour systèmes embarqués, Université de Nantes, soutenance prévue en octobre 2015.
CV de l encadrant (1 page au maximum) Nicolas BRACIKOWSKI MAITRE de CONFERENCES à l IUT de SAINT NAZAIRE Tél : 02 40 17 86 44 Activités de Recherche Mail : nicolas.bracikowski@univ-nantes.fr Conception d actionneurs électromagnétiques. Modélisation multi-physique des machines électriques : électrique, magnétique, électronique, vibratoire, acoustique et thermique. Modélisation par constantes localisées. Activités d Enseignement Enseignement au sein du Département «Génie Industriel et Maintenance» de l IUT de Saint-Nazaire. Responsabilité dans les enseignements d électronique analogique (CM,TD,TP) et dans les projets tutorés. Diplômes Universitaires - Doctorat (Génie Electrique) - Mention : Très honorable; Villeneuve d'ascq - Ecole Centrale de Lille Laboratoire L2EP ; 2008-2012 - Master ISE (Ingénierie des Systèmes Electriques) - Mention : Bien; Béthune - Faculté des Sciences Appliquées ; 2006-2008 - Licence GEII (Génie Electrique Informatique Industriel) - Mention : A-Bien; Béthune - Faculté des Sciences Appliquées ; 2002-2006 Publications récentes : (2 Articles de revues, 11 Articles de conférences) - Jinlin GONG, Nicolas BRACIKOWSKI, Multiphysics Modeling of a Multi-phase Linear Motor Using Lumped Models, 17th International Conference on Electrical Machines and Systems, Hangzhou, China, 10-2014. - Nicolas BRACIKOWSKI, Mathieu ROSSI, Michel HECQUET, Frédéric GILLON, Multi-physics design rules using lumped models for a permanent magnet synchronous machine, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, IJAEM, Vol. 43, N. 1, 9-2013. - Nicolas BRACIKOWSKI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, Sergey V. SHIRINSKII, "Multiphysics modeling of permanent magnet synchronous machine by lumped models", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 59, N. 6, pages. 2426-2437, 6-2012. - Nicolas BRACIKOWSKI, Mathias FAKAM,, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, Vincent LANFRANCHI,"Characterisation of radial vibration force and electromagnetic noise behavior of a PWM-fed permanent magnet synchronous machine", 20th International Conference on Electrical Machines, IEEE - ICEM 2012, Marseille, France, 09-2012. - Nicolas BRACIKOWSKI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, "Optimisation multi-objectif sous contraintes multi-physiques d une machine synchrone à aimants permanents utilisant des modèles à constantes localisées.", EF2011, Conférence Électrotechnique du Futur, 12-2011, FEMTO.ST, Belfort, 12-2011. Encadrements : (1 Thèse, 11 Master Recherche) ; - DANG Thi Nhat Linh (Septembre 2014 ) ; Taux d'encadrement : 30 %. Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à hautes vitesses de rotation. - Application à la propulsion des véhicules automobiles. - Encadrement de stages de Master Recherche : 11
CV de l encadrant (1 page au maximum) Luc MOREAU 36 ans Grade : MC Emploi actuel : Enseignant-Chercheur à l IREENA et à Polytech Nantes Expériences professionnelles : Industrie: Ingénieur d étude à la division alternateur de Leroy Somer (Emerson) de 2007 à 2011. Chef de projets : Augmentation de puissance massique des alternateurs synchrones à rotor bobiné. Alternateur à aimants permanents dédié à l alimentation de tours d éclairage (dépôt de brevet). Alternateur à rotor bobiné à vitesse variable destiné à l alimentation d un groupe de climatisation. Enseignements: Enseignements d électronique, d électronique de puissance et de conception de machines tournantes au département Génie Electrique de Polytech Nantes, en master recherche international (SEGE), en classe préparatoire intégrée (PEIP) et au CNAM. Recherche : Thèmes de recherche : Modélisation et optimisation d ensemble convertisseur machine. 2005 : Thèse de doctorat de l université de Nantes ; Modélisation, conception et commande de génératrices à réluctance variable basse vitesse. 2006 : Post-doctorat au L2EP (Ecole Centrale de Lille) en collaboration avec Schneider Electric sur le thème filtrage hybride série. 2006 à 2015 : Encadrement de 12 stages master recherche (Système Electronique et Génie Electrique). Encadrement de thèses : Septembre 2011 (prise de poste) ; Modélisation et conception de génératrice lentes pour hydrolienne. Septembre 2012; Study of tidal energy conversion system. Publications (ou brevets) les plus significatives des cinq dernières années : [B1] L. Moreau, P. Rigaud, T. Verchere, "Assembly Operating in a Variable Regime", WO2012110979 A1, publication date: August. 23, 2012. [ACL1] L. Moreau, M. Machmoum, M.E. Zaïm, Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High Torque Application, Electric Power Components and Systems, 2014, Taylor and Francis Journal. [ACTI 1] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum, Electromagnetic Design Optimization of a Low Speed Slotted Switched Reluctance Machine using Genetic Algorithm, ICEM 2012, Marseille, September 2012. [ACTI 2] N. Harkati, L. Moreau, J. F. Charpentier, M.E. Zaïm, Low speed doubly salient permanent magnet generator with passive rotor for a tidal current turbine, ICRERA, 20-23 September 2013. [ACTI 3] J. Zhang, L. Moreau, J. Guo, M. Machmoum, "Joint Optimization of Electromagnetic Structure and Control of a Double Stator Permanent Magnet Generator for Tidal Energy Applications Current Applications", IEEE International Power Electronics and Application Conf. and Exposition, PEAC, Shanghai, China, nov. 2014.