Conception et dimensionnement des moteurs électriques

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Paramètres d’alimentation à MLI

Distribution non-linéaire de la tension entre spires

Plusieurs études et travaux de recherche ont été effectués pour vérifier la distribution de la tension entre bobines et entre spires d’une même phase de la machine électrique. Pour une alimentation à MLI, cette distribution est non-linéaire suite au front de tension (dV/dt) qui alimente les capacités parasites entres les conducteurs de la bobine et donne naissance à des faibles courants capacitifs traversant les couches isolantes. Ainsi, il y’a d’autres auteurs qui attribuent cette non linéarité aux pertes en fréquence dans le circuit magnétique (pertes par courants de Foucault) [5] [12] [10] [13] [14].
La référence [15] a étudié la distribution des tensions sur les 9 spires d’un moteur électrique à haute tension (VDC = 2800 V) ; les spires sont en formes des barres arrangées.
Cette non-linéarité de distribution de tension, et les différences du potentiel entres spires adjacentes, conduit à une forte intensité du champ électrique. Le système d’isolation est alors soumis à des contraintes électriques locales importantes. Elles peuvent induire l’apparition des décharges partielles entre les spires des bobines de la même phase dans les encoches et les têtes
Adaptation du moteur électrique à la haute tension Contexte du moteur à haute tension de bobines, à cause de la différence de potentiel ainsi que la très petite distance entre ces spires ; donc un champ électrique intense [4].

Tension et courant d’arbre

Plusieurs études ont montré qu’il existe un grand nombre de phénomènes capables de créer des tensions et des courant dans l’arbre d’une machine électrique : entre arbre et carcasse (potentiel constant sur toute l’arbre), entre deux extrémités de l’arbre et dans la partie de l’arbre situées à l’intérieur des paliers [16].
Les origines de ce fait sont généralement classées en trois types [17] [18] : dissymétrie du flux magnétique, phénomènes électrostatiques, alimentation à MLI (tension de mode commun)
Pour les moteurs de traction électrique, les causes principales de ce défaut sont : excentricité du rotor (due aux dilatations des roulements) et le système d’alimentation à MLI ; ce qui crée des courant liés au défaut de champ magnétiques, ou génération des capacités parasites entre les conducteurs et l’arbre (tension d’arbre : effet capacitif) [17] [18].
L’apparition de cette anomalie dans une machine peut induire à une défaillance majeure, car elle dégrade les roulements (défaut mécanique), généralement par des décharges électrique et passage du courant qui ont comme conséquences : dégradation du lubrifiant des roulements, point de soudure et écaillage pour les bagues et les billes (ou rouleaux) [19].

Synthèse des défauts des moteurs à haute tension

Les machines électriques, malgré leur robustesse, présentent quelques défauts de type mécanique et électrique. Les différentes études statistiques et les enquêtes effectuées sur les machines électriques tournantes de grandes et moyennes puissances (moteurs asynchrones généralement), fonctionnant sous haute tension, pour déterminer la répartition des pannes, ont montré que la majorité des pannes sont causées par [20] [21]:
– Les enroulements du stator et ses systèmes d’isolation (pannes électrique)
– Les roulement (pannes mécanique)
Adaptation du moteur électrique à la haute tension Contexte du moteur à haute tension
Avec l’augmentation éventuelle du niveau de tension de ces machines, la probabilité d’apparition des défaillances liées aux contraintes électriques citées précédemment peuvent accroitre, ce qui influe directement la sûreté de fonctionnement et la durée de vie de la machine.
La Figure précédente montre les phénomènes de dégradation des systèmes d’isolation soumis à un champ électrique en fonction de la durée d’exposition à cette contrainte.
Les roulements mécaniques utilisés dans les machines électriques tournantes sont soumis à différentes contraintes qui peuvent dégrader ces pièces [22]. L’augmentation du niveau de tension accroit le risque d’avoir une tension et/ou un courant d’arbre qui sont dus à la génération des capacités parasites dues à l’alimentation à MLI et la pente raide de la tension (dV/dt) [17].

Reprise de dimensionnement du moteur Nissan _ LEAF

Pour notre cas d’étude, nous avons utilisé un moteur existant déjà : moteur de la Nissan – LEAF (véhicule 100% électrique équipée d’un moteur synchrone à aimants permanents). Nous avons repris les données de ce moteur de la référence [23]. Les différents paramètres du moteur sont présentés en annexe A.
Afin de redimensionner le moteur et l’adapter à la haute tension, la contrainte principale est de garder la même puissance électrique/mécanique (plus précisément, on essaiera de conserver la même courbe de couple maximal du moteur). Pour satisfaire cette contrainte, nous présentons la démarche suivie pour une adaptation magnétique du moteur à la haute tension.

Calcul analytique du couple électromagnétique

Le couple électromagnétique développé par la machine est l’intégrale des efforts d’interaction rotor-stator au niveau de l’entrefer. On peut calculer ce couple d’une manière analytique suivant différentes méthodes, on présente [24] [25] [26] :
o Travaux virtuels (calcul énergétique) o Tenseur de Maxwell (calcul des efforts)
Par la suite, nous avons utilisé le calcul du couple par la méthode des travaux virtuels basée sur le calcul de l’énergie (et la co-énergie) électromagnétique.
Dans les systèmes électromécaniques où l’énergie électrique est stockée principalement sous forme des champs magnétiques, le transfert énergétique peut se présenter avec les équations suivantes [25] : = ( . ( ) + ( ). ) ∗ = + + é
: résistance de l’enroulement global
: courant électrique parcouru dans les enroulements
: flux magnétique dans la machine
: différentiel de l’énergie électrique
: différentiel des pertes par effet Joule (énergie calorifique)
: différentiel de l’énergie électromagnétique d’échange
: différentiel des pertes d’énergie mécanique

Présentation générale des décharges partielles

Les décharges partielles sont définies par la norme CEI 60270 comme suit : « c’est une décharge électrique localisée qui court-circuite partiellement l’intervalle isolant séparant des conducteurs ». Elles correspondent à une décharge électrique en surface de l’isolation ou dans une vacuole de gaz piégée dans l’isolation [7]. Les décharges partielles se présentent sous forme d’impulsions (étincelles) d’une durée inférieure à 1 µs [7] [27].
L’apparition des décharges partielles a lieu dans les zones de gaz susceptibles d’être ionisées par le champ électrique entre systèmes d’électrodes. Les zones les plus problématiques sont les vacuoles présentes dans un système d’isolation [27] [28] :
– Décharges internes : apparaissent à l’intérieur des isolants, aux endroits où la rigidité diélectrique est faible ; par exemple présence d’une vacuole du gaz (défaut de fabrication).
– Décharges de surface : liées à la présence de défaut au niveau de la surface de l’isolation et/ou à la présence d’un fort champ électrique (champ électrique tangentiel important).
– Décharges couronnes : apparaissent dans les zones où le champ est très intense. Elles sont localisées sur des singularités de la géométrie (par exemple : effet de pointes où la décharge restreinte à une zone très réduite entourant la pointe)
– Décharges en arborescence : se produisent à cause d’un défaut dans l’isolation. Une croissance des différentes branches de l’arborescence produira des conditions propices pour l’apparition d’autres décharges.

Evaluation d’apparition des décharges partielles dans les machines électriques (simulation)

Dans cette partie nous présentons une simulation d’évaluation des tensions d’apparition des décharges partielles et leurs localisations dans les machines électriques. La simulation est effectuée via un logiciel d’éléments fini en 2D (FEMM), avec une validation par une étude analytique. La méthodologie utilisée est développée lors d’une thèse effectuer au sein de l’Institut VEDECOM [5].
La méthodologie complète se fait en deux étapes :
• Un calcul de la répartition de tension dans les fils du bobinage suite à un front de tension généré par l’onduleur (ceci se fait en calculant le schéma électrique équivalent de la phase à la fréquence d’excitation) ;
• Un calcul du champ électrique local aux zones où une grande différence de potentiel a été calculée) avec comparaison à la courbe de Paschen qui fournit la limite d’apparition des décharges partielles dans l’air.

Méthodologie d’évaluation des décharges électriques inter-spires

L’évaluation des décharges partielles inter-conducteurs est effectuée entre deux conducteurs adjacents qui présentent une différence de potentiel.
Les conducteurs utilisés sont des fils de cuivre émaillé et de diamètre de « 0.8 mm » avec une couche isolant de « 42,5 » : conducteur de grade-2 utilisé dans le moteur de Nissan LEAF [23].
La simulation est effectuée en absence de résine isolante (résine d’imprégnation) utilisée généralement pour renforcer la rigidité diélectrique du système d’isolation des moteurs électriques. Ceci représente un cas défavorable par rapport au cas d’un moteur imprégné, mais proche du cas où une vacuole d’air serait présente dans la résine à proximité des conducteurs.
La figure suivante monte la répartition du potentiel entre deux conducteurs ainsi que les lignes du champ électrique pour une différence du potentiel de 800 V :
A l’aide de la simulation, il est possible de connaître le potentiel dans différents points à la frontière externe des isolants des deux conducteurs en fonction de la distance de séparation (présentée dans la figure précédente). On peut alors en déduire, dans la zone d’étude, une courbe d’évolution du potentiel en fonction de la distance entre deux points pris à la même élévation à la surface de chacun des conducteurs. Cette courbe sera comparée avec la courbe du Paschen : en dessous de cette dernière courbe est une zone sans décharges, en revanche la zone qui est égale ou supérieure à la courbe de Paschen présente un risque d’apparition des décharges électriques entre les conducteurs considérés. A partir de cette comparaison des courbes, on peut estimer la fiabilité du système d’isolation qui élimine les décharges électriques et/ou les zones d’apparition de ces décharges.

Validation de simulation des tensions d’apparition des décharges partielles

Pour valider notre évaluation de détermination des tensions d’apparition des décharges partielles dans les conducteurs du moteur, nous nous renvoyons à la référence [4] : où l’auteur à réaliser des mesures des décharges partielles des différentes gammes des conducteurs (sous une tension alternative) dans ses travaux de thèse.
La valeur de permittivité relative étant peu connue, nous avons vérifié sa valeur en reprenant des résultats publiés dans [4]. Pour chaque gamme du conducteur, nous comparons son profil de tension (différence de potentiel entre deux conducteurs adjacents en fonction de la distance) sous une différence de potentiel égale à la tension d’apparition des décharges partielles (TADP), selon la référence [4], pour différentes valeurs de permittivité diélectrique relative de l’émail isolant, avec la courbe de Paschen ; afin de déterminer la valeur approximative de la constante diélectrique de l’émail utilisé. La comparaison et la validation des résultats sont présentées par la figure suivante : Par la comparaison des profils de tension pour chaque système de conducteurs (sous sa TADP) avec différentes valeurs de la constante diélectrique, nous pouvons dire que la valeur de la permittivité relative de l’émail isolant pour ces conducteurs est égale à « 2 ». Pour cette valeur, le profil de tension des deux conducteurs en fonction de la distance présente une tangente par rapport à la courbe de Paschen : limite d’apparition des décharges partielles.
❖ Nous utilisons cette valeur pour la suite de nos calculs : é =
Avec ces résultats, nous avons pu valider notre modélisation du système d’isolation des conducteurs, en les comparant avec les résultats de mesures de la référence [4].
❖ Cette validation nous permet d’étudier le système d’isolation des conducteurs du moteur
Nissan LEAF, de réaliser le dimensionnement électrique des conducteurs et de les adapter à la haute tension.

Adaptation électrique du moteur Nissan LEAF à la haute tension (750 VDC)

Avec une alimentation à MLI, la distribution de la tension et des fronts de tension (dV/dt) au long des spires et bobines n’est pas linéaire (voir chapitre-1). Afin de faire le dimensionnement électrique du moteur à haute tension, nous prenons l’hypothèse de la distribution linéaire de la tension dans les différents spires et bobines qui nous permet de faire une première estimation des différences de potentiel locales.
Nous nousbasons sur une simulation du moteur avec un modèle simplifié (sous Matlab/Simulink) pour déterminer la distribution (linéaire) de la tension (voir annexe). Ce modèle intègre le système d’alimentation, bus continu et le découpage MLI, afin de simuler les différents grandeurs électriques (tension et courant) au sein du bobinage.
Pour éclaircir le contact entre conducteurs et les zones de risque des décharges électriques, nous présentons le schéma de bobinage, ainsi le schéma pour les têtes de bobines en annexe.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
Introduction générale
Etat de l’art
1. Moteur électrique à haute tension : Contexte et applications
2. Avantages de l’augmentation du niveau de tension
3. Contraintes d’augmentation du niveau de tension
3.1. Intensité du champ électrique
3.2. Surtensions – désadaptation des impédances (câble – moteur)
3.3. Paramètre d’alimentation à MLI – Temps de monté et régime transitoire
3.4. Paramètres d’alimentation à MLI
Distribution non-linéaire de la tension entre spires
3.5. Tension et courant d’arbre
4 Synthèse des défauts des moteurs à haute tension
Conclusion
Conception et dimensionnement des moteurs électriques
I. Reprise de dimensionnement du moteur Nissan _ LEAF
1. Calcul analytique du couple électromagnétique
2.Etude de la force magnétomotrice
2.1. Fonction de distribution
2.2. Force magnétomotrice
3.Adaptation magnétique du moteur à la haute tension
3.1. Méthodologie de l’adaptation
3.2. Récapitulatif des adaptations
II.Performances électromagnétiques du moteur à haute tension
1.Loi de Paschen
2.Présentation générale des décharges partielles
3…Evaluation d’apparition des décharges partielles dans les machines électriques (simulation)
3.1. Méthodologie d’évaluation des décharges électriques inter-spires
3.2. Validation de simulation des tensions d’apparition des décharges partielles
3.3. Evaluation du système d’isolation utilisé dans la Nissan LEAF
4.Adaptation électrique du moteur Nissan LEAF à la haute tension (750 VDC)
4.1. Adaptation du système d’isolation des conducteurs
4.2. Utilisation des conducteurs épingles
4.3. Système d’isolation du fond d’encoche
Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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