Soutenance mémoire
La diversité des domaines d’application et la croissance des demandes industrielles rendent de plus en plus nécessaire l’élaboration de nouvelles structures de machines électriques adaptées à chaque domaine d’application. Le but est de concevoir des structures qui permettent d’économiser l’énergie à un coût minimal. Dans ce contexte, l’intérêt des électrotechniciens pour les machines synchrones à aimants permanents en général, et celle à flux axial en particulier, ne cesse d’augmenter. Elles sont présentes dans toutes les applications récemment électrifiées (propulsion terrestre et navale…) ainsi que dans les systèmes de génération de l’énergie électrique (l’énergie éolienne…). Le regain d’intérêt pour ce type de machines est motivé par leur capacité à améliorer la densité de puissance, à produire un fort couple et à développer un rendement et un facteur de puissance élevés.
MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS ET A FLUX AXIAL : STRUCTURES, APPLICATIONS ET METHODOLOGIE DE CONCEPTION
Les machines synchrones à aimants permanents (MSAPs), appelées aussi les machines Brushless (sans balais), sont classées en trois grandes familles suivant leurs structures et la direction du flux principale dans leur entrefer :
• les MSAP à flux radial (FR)
• les MSAPs à flux transversal (FT)
• les MSAPs à flux axial (FA).
Les MSAPFA qui font l’objet de ce mémoire et qui sont aussi appelées MSAPs discoïdes, sont utilisées lorsque l’encombrement axial est fortement contraint par le cahier des charges de l’application visée. Elles permettent d’optimiser l’encombrement et la masse, et d’accroître le couple en disposant plusieurs étages sur le même arbre. La surface active de leurs entrefers est plus grande que celle des machines conventionnelles. L’accroissement du nombre de pôles a le même effet que dans les structures cylindriques et se traduit par une augmentation du diamètre et une diminution de la longueur axiale [Spo, 1992], [Car, 1993], [Cha, 1999]. Cependant, et contrairement aux structures cylindriques qui deviennent creuses, le volume des parties actives est mieux occupé dans le cas des machines à flux axial .
Dans le premier paragraphe de ce chapitre, les structures les plus courantes des MSAFPAs sont exposées, et leurs caractéristiques décrites. Nous rappelons aussi les caractéristiques des matériaux magnétiques susceptibles d’être utilisés dans les MSAPFAs, et dont la connaissance est impérative pour la définition de l’ensemble des possibilités à la disposition du concepteur. Afin de montrer pour quelle application et dans quelles conditions les performances des MSAPFAs sont supérieurs à celles des autres structures, nous proposons dans le deuxième paragraphe de rappeler les conclusions de plusieurs comparaisons faites entres des MSAPFAs et des MSAP à flux radial. Ensuite, nous énumérons quelques exemples d’applications des MSAPFAs, comme la génération d’énergie électrique et la traction terrestre et navale. Enfin, la problématique de la conception et du dimensionnement de ce type de machines fait l’objet du cinquième et le dernier paragraphe de ce chapitre. Ainsi après avoir analysé le problème du dimensionnement des MSAPFAs, nous présenterons la méthodologie de conception adoptée tout au long de ce travail, et nous expliquerons en détail ses quatre grandes étapes : le choix de la structure, la modélisation analytique, l’optimisation et la modélisation par éléments finis.
Structures et matériaux pour les MSAPFAs
Configurations possibles des MSAPFAs
Contrairement aux machines à flux radial dans lesquelles la partie active des bobines se trouve dans la direction axiale, la longueur active des conducteurs dans les MSAFPAs se trouve dans la direction radiale. Le bobinage statorique dans MSAPFAs est facile à enrouler vu que le stator est plat et leurs entrefers restent ajustables même après l’assemblage. Leur structure géométrique aide à la multiplication du nombre de leurs paires de pôles, ce qui permet aussi de réduire le volume du circuit magnétique. Cependant, le nombre de paires de pôles rotorique est limité. En effet, il est proportionnel au rayon interne du rotor dont la valeur minimale est déterminée, d’une part par l’encombrement des têtes de bobines des enroulements statoriques, et d’autre part, par les dimensions de l’arbre .
Il existe plusieurs configurations des MSAPFAs suivant le nombre de rotors et de stators et de leurs dispositions, leur bobinage et la disposition des aimants permanents sur leurs rotors. Le circuit magnétique statorique des MSAFPAs est de forme toroïdale. Il peut être encoché ou sans encoches. Dans ce dernier cas, les bobinages se trouvent enroulés autour du tore statorique à section rectangulaire. Le circuit magnétique rotorique est aussi de forme toroïdale. Comme dans le cas des MSAP à flux radial, les aimants permanents peuvent être montés en surface du tore rotorique, ou bien enterrés.
Ces différentes possibilités donnent lieu à différentes configurations des MSAPFAs dont les principales sont décrites dans les sous paragraphes suivants.
MSAPFA à simple entrefer
La MSAPFA à un seul entrefer est la plus simple à concevoir. Son montage est aisé car elle n’est constituée que de deux parties adjacentes (Fig. I.3) [Bar, 2001], [Azz, 2005]. Cette structure est surtout utilisée en robotique car elle possède une inertie rotorique peu élevée. Cependant, son diamètre extérieur est limité par les forces d’attraction et de répulsion entre les deux disques : rotorique et statorique. Pour accroître le couple et équilibrer les forces axiales, les MSAPFAs peuvent être conçues de façon modulaire en disposant plusieurs étages les uns à côté des autres sur le même arbre.
MSAPFA à double entrefer
La duplication de la machine précédente (Fig. I.3) permet de créer un équilibre entre les forces d’attraction et de répulsion entre les disques. Deux configurations sont possibles : une MSAPFA composée d’un disque statorique, supportant des bobines, inséré entre deux disques rotoriques portant des aimants permanents chacun (Fig. I.4) ou une MSAPFA composée d’un disque rotorique inséré entre deux disques statoriques (Fig. I.5) [Par, 1995]. Dans les deux configurations, les stators peuvent être alimentés en parallèle pour permettre à la machine de fonctionner en marche dégradé (dysfonctionnement de l’un des deux stators suite à un défaut dans le bobinage par exemple). L’alimentation en série des deux stators permet d’éviter le déséquilibre des forces axiales dues aux imperfections de l’alimentation ou au dysfonctionnement de l’un des stators [Chi, 1988]. De plus, un simple décalage angulaire entre les bobinages des deux stators l’un par rapport à l’autre permet de réduire le couple de détente [Pla, 1989]. Pour les applications de forte puissance et de stricte limitation sur les diamètres extérieurs des disques, les MSAPFAs à double entrefer cèdent la place aux structures multi entrefer ou mutli-disques qui voient leur couple fortement augmenté par l’assemblage de plusieurs modules à double entrefer dans la même structure.
Dans les MSAPFAs à rotor intérieur, les stators se trouvent radialement enveloppés par une quantité très importante de cuivre (les têtes de bobines) ce qui se traduit par une utilisation non optimisée du cuivre dans ce type de machines [Car, 1996] et des pertes Joules relativement plus importantes que dans le cas d’une structure à stator intérieur. Cependant, les structures à rotor intérieur présentent une plus grande capacité à évacuer la chaleur due aux pertes Joules dans les bobinages, par rapport aux structures à stator intérieur [Aca, 1996].
MSAPFA multi disques
La puissance de ce type de machines peut être considérablement accrue par la juxtaposition de machines de même type que celles présentées précédemment. Cette possibilité conduit, malgré tout, à compliquer l’assemblage. En effet, à cause de l’imbrication des anneaux statoriques et des disques rotoriques, le rotor ne peut pas être monté comme dans une machine cylindrique traditionnelle. Deux méthodes sont possibles :
– La première utilisée dans la technique de construction des gros alternateurs, coupe diamétralement le stator en deux permettant son assemblage autour du rotor. Avec cette solution, le rotor peut être construit en une seule pièce et équilibré dynamiquement en dehors de la machine,
– La seconde solution consiste à monter les disques rotoriques et les anneaux statoriques en alternance. Cette méthode a l’avantage de permettre la constitution du stator d’une seule pièce.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE 1 : Machine synchrone à aimants permanents et à flux axial : structures, applications et méthodologie de conception
1. INTRODUCTION
2. STRUCTURES ET MATERIAUX POUR LES MSAPFAS
2.1. CONFIGURATIONS POSSIBLES DES MSAPFAS
2.1.1. MSAPFA à simple entrefer
2.1.2. MSAPFA à double entrefer
2.1.3. MSAPFA multi disques
2.1.4 Disposition des aimants permanents au rotor
2.1.5. Structure du stator
2.2. CHOIX DES MATERIAUX MAGNETIQUES
2.2.1 Caractéristique des matériaux doux
2.2.2 Les aimants permanents
2.2.3 Comparaison entre les différents types d’aimants
3. COMPARAISON ENTRE LES MSAP A FLUX AXIAL ET CELLES A FLUX RADIAL
3.1. COMPARAISON BASEE SUR LA DENSITE VOLUMIQUE DU COUPLE
3.2. COMPARAISON BASEE SUR LE VOLUME DES PARTIES ACTIVES
3.3. COMPARAISON BASEE SUR UNE CONTRAINTE THERMIQUE
4. APPLICATIONS DES MSAPFAS
4.1. GENERATION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
4.1.1. Génération de forte puissance : l’éolienne J48 de Jeumont Industrie
4.1.2 Eolienne de moyenne et de faible puissance
4.1.3 Générateur à très grande vitesse
4.2. PROPULSION TERRESTRE
4.2.1. Moteur roue
4.2.2. Traction ferroviaire
4.3. PROPULSION NAVALE
4.4. ASCENSEUR « MONOSPACE » DE KONE
5. METHODOLOGIE DE CONCEPTION ET DE DIMENSIONNEMENT DES MSAPFAS
5.1. ANALYSE DU PROBLEME
5.2. METHODOLOGIE DE CONCEPTION ADOPTEE
5.2.1. Définition de la structure
5.2.2. Modélisation en vu du dimensionnement
5.2.3. Dimensionnement en terme d’optimisation
5.2.4. Modélisation par éléments finis
6. CONCLUSION
CHAPITRE 2: Modélisation analytique électrique magnétique et thermique de la MSAPFA en vue de son dimensionnement
1. INTRODUCTION
2. MODELE MAGNETIQUE SIMPLIFIE DE DIMENSIONNEMENT DES MSAFPAS
2.1. STRUCTURE DES MSAFPAS ETUDIEES
2.2. MODELISATION DU CIRCUIT MAGNETIQUE
2.3. DETERMINATION DES INDUCTANCES ET DES RESISTANCES STATORIQUES
2.3.1. Inductance propre
2.3.2. Inductance mutuelle
2.3.3. Résistance par phase
2.4. COUPLE ELECTROMAGNETIQUE ET FORCE ELECTROMOTRICE A VIDE
2.4.1. Couple électromagnétique développé par une phase
2.4.2. Force électromotrice
2.5. PERTES
2.5.1. Pertes Joule
2.5.2. Pertes fer
2.6. DIMENSIONS ET MASSES DES PARTIES ACTIVES DE LA MSAFPA
2.6.1. Profondeur axiale du disque rotorique
3. MODELE MAGNETIQUE BIDIMENSIONNEL DE DIMENSIONNEMENT DES MSAFPAS ISSU DU CALCUL ANALYTIQUE DES CHAMPS
3.1. APPROCHE DE CALCUL DES GRANDEURS LOCALES : HYPOTHESES ET MISES EN EQUATIONS
3.2. CALCUL DE LA REPARTITION DE L’INDUCTION DANS LA MACHINE A VIDE
3.2.1 Expressions des composantes de l’induction dans la région I
3.2.2. Expressions des composantes de l’induction dans l’entrefer (région II)
3.3. CALCUL DU FLUX ET DE LA FORCE ELECTROMOTRICE PAR PHASE
3.3.1 Fonction de distribution d’une bobine
3.3.2 Fonction de distribution d’une phase statorique
3.3.3. Flux et force électromotrice d’une phase statorique
3.4. FORCES TANGENTIELLE ET AXIALE EXERCEES SUR LE ROTOR
3.4.1. Contraintes normale et tangentielle
3.4.2. Couple de détente
3.5. CALCUL DE LA REPARTITION DE L’INDUCTION DANS LA MACHINE CREEE PAR LA REACTION D’INDUIT
3.6. CALCUL DES INDUCTANCES PROPRES ET MUTUELLES
3.6.1. Inductance propre d’un enroulement
3.6.2. Inductance mutuelle entre deux enroulements
3.7. CALCUL DU COUPLE DEVELOPPE PAR LA MACHINE
3.8. MODELE ELECTRIQUE DE LA MSAPFA VU DES BORNES STATORIQUES
3.8.1. Mise en équations dans l’espace des phases
3.8.2. Equations électriques des phases dans le référentiel de Park
3.8.3. Diagramme de Fresnel de la génératrice
3.8.4. Diagramme de Fresnel simplifié d’une génératrice connectée à une charge résistive
4. APPLICATION : CAS D’UNE MSAPFA DE PETITE PUISSANCE
4.1. CAHIER DES CHARGES DE L’APPLICATION DE PETITE PUISSANCE
4.2. CALCUL DES COMPOSANTES DE L’INDUCTION DANS L’ENTREFER
4.3. MINIMISATION DU COUPLE DE DETENTE
5. MODELE THERMIQUE
5.1. INTRODUCTION
5.2. PRINCIPE DE LA METHODE NODALE
5.3. APPLICATION : ELABORATION DU MODELE THERMIQUE DE LA MSAFPA ETUDIEE
5.3.1 Réseau de résistances thermiques
5.3.2 Résolution du système d’équations
6. CONCLUSION
CHAPITRE 3 : problème d’optimisation du dimensionnement de la MSAFPA : formulation et outils de résolution
1. INTRODUCTION
2. DEMARCHES DE DIMENSIONNEMENT ET DE CONCEPTION
3. FORMULATION DU PROBLEME INVERSE DE CONCEPTION EN TERME D’OPTIMISATION NON LINEAIRE SOUS CONTRAINTES
4. METHODES DE RESOLUTION
4.1. METHODES D’OPTIMISATION SANS CONTRAINTES
4.1.1. Méthodes déterministes
4.1.2 Les méthodes stochastiques
4.2. TRAITEMENT DES CONTRAINTES
4.3. TRANSFORMATION D’UN PROBLEME D’OPTIMISATION MULTICRITERES EN UN PROBLEME D’OPTIMISATION MONOCRITERE
5. APPLICATION DE DIRECT ET DES AGS A L’OPTIMISATION DE LA CONCEPTION D’UNE MSAPFA DE 1,2 KW
5.1. CAHIER DES CHARGES
5.2. MODELE MAGNETIQUE ET VARIABLES DE DIMENSIONNEMENT
5.3. RESOLUTION DU PROBLEME D’OPTIMISATION DE LA MSAPFA PAR AGS ET DIRECT
6. CONCLUSION
Conclusion générale
