Conception des machines synchrones à aimants permanents

Conception des machines synchrones à aimants permanents

Conception dés machinés synchrones a aimants permanents

La conception d’une machine électrique implique beaucoup de domaines du génie; un moteur n’est ni plus ni moins qu’un convertisseur d’énergie qui met en relation des aspects électriques, magnétiques, mécaniques et thermiques, qui sont tous intimement liés. Traditionnellement, la conception des machines synchrones à aimants permanents se concentrait plus particulièrement sur les aspects électromagnétiques. Cependant, depuis quelques décennies, avec l’engouement pour la rentabilité énergétique, beaucoup d’efforts ont été mis en place pour bien modéliser leur comportement thermique. Pour tirer le rendement maximal d’une machine, au-delà de l’optimisation de la conception électromagnétique, il faut considérer sa température d’opération. Effectivement, la température a une influence notable sur les propriétés des matériaux, ainsi que les pertes engendrées lors de la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique et vice versa. La modélisation des machines électriques vise à prédire efficacement le comportement thermique.

Ce domaine est en pleine effervescence et devient un élément primordial pour continuer à augmenter la puissance massique des machines. De plus en plus, les méthodes numériques comme les éléments finis, s’imposent à plusieurs égards pour la conception de machines, particulièrement au niveau de la précision des résultats. Mais les modèles analytiques demeurent toujours d’intérêt, puisque pour le moment, ils offrent une rapidité de calcul indispensable dans un processus d’optimisation. Ce premier chapitre donne une brève description des phénomènes électriques, magnétiques et mécaniques au sein des machines électriques. De plus, les modèles analytiques qui leur sont associés sont brièvement présentés. Dans cette partie du document, nous présentons une brève description des modèles physiques indispensables à la conception et les différents couplages qui existent. Il est également question des incidences thermiques sur le fonctionnement des machines électriques et les défaillances qui peuvent leur être associées. Finalement, les différents types de pertes dans la machine sont expliqués.

Les effets de la chaleur et les causes de défaillance

La limite de température qu’une machine électrique peut atteindre dépend des tolérances thermiques des matériaux, comme les aimants permanents, l’isolant du bobinage et la colle utilisée pour fixer les aimants. En effet, une des parties de la machine dont la température est critique concerne les aimants dont la densité de flux magnétique produite diminue avec l’augmentation de température jusqu’à un point critique nommé point de curie (????? ≈330°?) où la démagnétisation devient irréversible [4, Chap. 2]. Lorsque la température des aimants augmente, le flux dans l’entrefer diminue et pour pallier cette diminution, il faut augmenter le courant au stator pour obtenir le même niveau de couple. Ensuite, une température élevée d’opération des aimants augmente leur risque de démagnétisation en cas de défaut comme un court-circuit. Il n’est pas rare que dans les machines, la colle soit utilisée pour maintenir les aimants en place et celle-ci peut rapidement se détériorer si elle est utilisée à des niveaux de température élevés.

Il est alors essentiel de s’assurer que la température de la colle ne dépasse pas sa température admissible maximale. Il faut que le concepteur s’assure que pour chaque point d’opération du moteur, la température maximale admissible ne sera pas dépassée. Généralement, la défaillance d’une machine électrique survient quand son isolation électrique ne réalise plus la tâche pour laquelle elle était conçue. La détérioration d’un système d’isolation peut venir d’une combinaison de stress mécanique, électrique, thermique et chimique. De plus, le rôle des isolants ne se limite pas à l’isolation électrique. Par exemple, au niveau des bobines, ils améliorent la tenue mécanique, favorisent la dissipation thermique et protègent contre les agressions chimiques.

Dans les machines à haute tension (≥500?), des décharges partielles peuvent se produire ce qui détériore les isolants et peuvent entraîner leur destruction. Ce phénomène est accentué quand il y a présence d’une bulle d’air dans l’isolant, 5?? peut suffire. Le champ électrique ne se développe pas uniformément dans la bulle comme dans le reste de l’isolant, ce qui peut engendrer un claquage. Même les machines opérant à basse tension peuvent subir des décharges partielles si elles sont opérées avec des commandes à commutation. Celles-ci induisent de rapides variations de tension et favorisent l’apparition du phénomène. De plus, des contraintes mécaniques peuvent se développer dans les couches d’isolation. Elles peuvent être causées par des différences de dilatation entre les matériaux, de la vibration et des forces produites par le champ magnétique sur les bobines et les aimants. Un isolant électrique soumis à ce type de contraintes répétées peut craquer et s’écailler, laissant ainsi des zones non isolées propices aux courts-circuits.

Les agressions chimiques peuvent prendre plusieurs formes et elles modifient les propriétés de l’isolant, rendant la machine plus vulnérable aux défauts. De la même manière, une température élevée d’isolant conduit à une modification de la structure moléculaire et inévitablement à une modification de ses propriétés. Il existe une panoplie de type d’isolants qu’il est possible de choisir lors de la conception d’une machine et ce sont généralement eux qui fixent la température maximale que la machine peut tolérer. En résumé, sachant que le refroidissement des bobines n’est pas nécessairement couplé avec celui du rotor et que la distribution de température d’une machine peut être très variable, lors de la conception il faut s’assurer que toutes les parties constituantes de la machine demeurent à des températures en-dessous de leur seuil critique.

Les systèmes de refroidissement

Dans le domaine des machines électriques, il existe des recommandations sur le mode de refroidissement (IEC 60034-6) ainsi que sur les cycles de services (IEC 60034-1). Le mode de refroidissement se distingue par la manière dont le fluide de refroidissement évacue l’énergie thermique du moteur. Dans les machines ouvertes, un fluide pénètre directement dans la machine pour se charger d’énergie thermique et il est ensuite évacué à l’extérieur. Dans une machine fermée, le fluide de refroidissement circule afin de transporter l’énergie thermique des différentes composantes de la machine vers la carcasse. Le transfert de chaleur s’effectue ensuite par conduction vers l’extérieur. Il est également possible d’utiliser des échangeurs de chaleur comme des radiateurs pour augmenter le rendement du refroidissement.

Le fluide de refroidissement peut être gazeux comme de l’air, de l’hydrogène, de l’azote et du gaz carbonique. Celui-ci peut également être de nature liquide comme de l’eau et de l’huile. L’énergie fournie au fluide pour sa circulation peut être passive comme dans le cas de convection naturelle mais généralement celle-ci n’est pas suffisante pour obtenir un bon refroidissement. Alors, de l’énergie cinétique peut être transmise au fluide via un ventilateur monté sur le rotor ou encore d’un dispositif conçu à cet effet. Plus d’information à ce sujet se trouvent dans [5]. Finalement, les stratégies de refroidissement sont nombreuses et ont pour seule limite l’imagination du concepteur à concilier l’efficacité avec les aspects économiques, de fiabilité, de sécurité, etc.

Modé lisation thérmiqué dés MSAPs Historiquement, l’analyse du comportement thermique des machines électriques a reçu moins d’attention que la conception électrique et magnétique. Mais aujourd’hui, celle-ci est davantage étudiée car une bonne conception thermique peut améliorer les performances du moteur et prolonger sa durée de vie. Il est évident que le comportement thermique d’une machine est difficile à déterminer en raison d’une incertitude sur les valeurs de pertes et leur distribution. S’ajoute à cela une difficulté à déterminer les coefficients de transfert de chaleur avec l’environnement. Les modèles thermiques servent à estimer des températures et la localisation des points chauds pour orienter et peaufiner des stratégies de refroidissement. Le design du système de refroidissement a un impact significatif sur le comportement global de la machine et ne devrait pas être négligé.

Il existe des méthodes numériques pour résoudre les équations aux dérivées partielles de la chaleur, comme les éléments finis et les volumes finis. Ces méthodes s’imposent par rapport aux méthodes analytiques lorsque les propriétés thermiques varient selon la température, le temps et l’espace et qu’on souhaite une bonne précision. Cependant, les équations mathématiques qui gouvernent les phénomènes de transfert de chaleur sont très simples et s’avèrent appropriées à l’utilisation d’un modèle de type circuit thermique. Cette méthode a l’avantage d’être très simple à mettre en oeuvre et s’impose quand le temps de calcul doit être minimisée comme dans le cas d’un processus de conception ou d’optimisation.

En revanche, le caractère diffus de la chaleur rend l’élaboration d’un réseau thermique délicat. Les résultats obtenus avec de tels modèles sont fonction des hypothèses simplificatrices et du niveau de raffinement utilisé. Dans ce chapitre, les méthodes permettant la création d’un modèle de type circuit thermique sont présentés dans un contexte général en commençant par définir les notions de résistance, de capacitance thermique et de source de chaleur. Par la suite, nous décrivons le traitement mathématique pour des régimes permanents et transitoires en prenant en considération les échanges de radiation. Nous présentons aussi plusieurs modèles de circuit issus de la bibliographie qui ont été développés pour l’étude des machines électriques. Finalement, nous présentons le modèle général que nous avons choisi de développer pour les machines à aimants permanents.

Table des matières

Introduction générale
1.Conception des machines synchrones à aimants permanents
1.1 Introduction
1.2 Les machines synchrones à aimants permanents
1.3 La conception d’une MSAP
1.3.1 Modèle magnétique
1.3.2 Modèle électrique
1.3.3 Modèle mécanique
1.4 Les effets de la chaleur et les causes de défaillance
1.5 Les systèmes de refroidissement
1.3 Les pertes dans la machine
1.3.1 Les pertes Joule
1.3.2 Les pertes magnétiques
1.3.3 Pertes mécaniques
1.4 Conclusion
2.Phénomènes thermiques
2.1 Introduction
2.2 Conduction
2.2.1 Les échanges par conduction au sein des machines électriques
2.3 Convection
2.3.1 Les échanges par convection au sein des machines électriques
2.3.2 Évaluation de la convection par CFD (Computational Fluid Dynamics)
2.3.3 Couche limite aérodynamique
2.3.4 Couche limite thermique
2.3.5 Écoulement laminaire & turbulent
2.3.6 Nombres adimensionnels
2.3.7 Convection naturelle et forcée
2.4 Les corrélations
2.4.1 Convection de la carcasse vers le milieu
2.4.2 Convection au niveau de l’entrefer
2.4.3 Convection au voisinage des têtes de bobines
2.4.3 Autres corrélations
2.5 Radiation
2.5.1 Les échanges radiatifs au sein des moteurs électriques
2.6 Équation de conduction de la Chaleur
2.6.1 Les conditions limites
2.7 Conclusion
3.Modélisation thermique des MSAPs
3.1 Introduction
3.2 Modélisation circuit thermique
3.3 Résistances thermiques
3.3.1 Résistance de conduction
3.3.2 Résistance de contact
3.3.3 Résistance de convection et ventilation
3.3.4 Résistance de structure mécanique
3.4 Capacitance thermique
3.5 Source de chaleur
3.6 Résolution mathématique
3.2.2 Le terme transitoire
3.3.1 Échange radiatif
3.3.2 Algorithme de résolution
3.7 Modèle dans la littérature
3.8 Circuit thermique général pour MSAPs
3.8.1 La couche générique
3.8.2 Première et dernière couche
3.8.3 Coefficient correcteur de la génération de chaleur
3.9 Conclusion
4 Modélisation thermique complète
1 Introduction
4.2 Description du banc d’essai
4.2.2 Les capteurs de température
4.2 Modélisation simplifiée du régime transitoire
4.3 Essais expérimentaux
4.4 Validation du modèle thermique
4.4.1 Résultats
4.5 Analyse de différentes stratégies de refroidissement
4.6 Analyse de différentes variations topologiques et l’effet des paramètres thermiques critiques
4.6.1 Machine à rotor externe
4.6.2 Discussion
4.7 Processus d’optimisation
4.8 Possibilité et critique du modèle
4.9 Conclusion
5.Modélisation thermique des bobinages
5.1 Introduction
5.2 Modélisation des bobinages
5.1.1 Conductivité thermique équivalente déterminée expérimentalement
5.1.2 Conductivité thermique équivalente déterminé Analytiquement
5.1.3 Modèle en couches
5.3 Modèle à résistances thermiques combinées
5.3.1 Méthode de remplissage de l’encoche
5.2.2 Réseaux de résistances thermiques
5.2.3 Construction mathématique
5.2.4 Validation et résultat
5.2.5 Application à un modèle d’encoche
5.3 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographies
Annexe 1 – Électromagnétisme et équations de Maxwell
A1.1 Rappel mathématique
A1.2 Électromagnétisme et équations de Maxwell
A1.3 Définition des propriétés
A1.4 Analyse magnétostatique
A1.5 Analyse transitoire magnétique
A1.6 Analyse magnétodynamique harmonique
Bibliographie Annexe 1
Annexe 2 – Conductibilité thermique anisotropique
Annexe 3 – Méthode pour corrélation de convection
A3.1 Approche empirique
Annexe 4 – Corrélation non spécifiques
A4.1 Cylindre dans un écoulement perpendiculaire
A4.2 Cylindre tournant dans un fluide infini au repos (corrélation valide pour l’air)
A4.3 Cylindre tournant dans un écoulement perpendiculaire
A4.4 Cylindre horizontal dans un fluide infini au repos
A4.5 Plaque Verticale en convection naturelle
A4.6 Plaque horizontale chauffée en convection naturelle
A4.7 Plaque en convection forcée dans un écoulement parallèle
A4.8 Convection à la surface d’un disque tournant
A4.9 Convection forcée en canal rotorique axial
Annexe 5 – Coefficient de correction de la génération de chaleur
A5.1 Localisation des résistance de contact
A5.1 Localisation des résistances de convection
A5.1 Coefficient de correction de la génération de chaleur
Annexe 6 – Donnéés géométriqués du banc d’éssai
Annexe 7 – Conductibilité thermique équivalente des bobinages
Annexe 8 – Résultats du modèlé d’éncoché

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