Soutenance mémoire
Soucieuse de proposer des solutions de mobilité innovantes et plus respectueuses de l’environnement, l’industrie automobile se mobilise de plus en plus afin de trouver des solutions à l’échelle mondiale qui agissent pour le climat. En 2015, c’est autour de la COP21 à Paris que les nations sont unies sur les changements climatiques. C’est une échéance cruciale puisqu’elle doit aboutir à un nouvel accord international sur le climat, applicable à tous, afin de maintenir le réchauffement climatique en-deçà de 2°C. La première conférence mondiale sur le climat remonte à 1979. A cette occasion les négociations climatiques internationales ont affirmé l’existence d’un dérèglement climatique et elles ont confirmé la responsabilité humaine dans ce phénomène. Depuis cette reconnaissance, l’objectif était de stabiliser les concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre à un niveau qui empêche toute perturbation humaine dangereuse du système climatique. Des solutions ont été ainsi mises en lumière permettant de limiter les émissions de gaz à effet de serre, parmi lesquelles, la promotion du véhicule électrique, qui était bien présente tout au long de ces diverses manifestations.
Outre la question du réchauffement climatique, un vrai problème s’installe, celui de l’épuisement de l’énergie fossile. Rien qu’à l’échelle européenne, un marché d’automobile toujours en croissance ; d’environ 12 millions de véhicules neufs par an, dominé à plus de 99 % par des véhicules à moteur thermique. De ce fait, ces 12 millions de véhicules, vont consommer du pétrole au moins jusqu’en 2030. Pour assurer cette consommation, 60 millions de barils de pétrole par an devront être mis à disposition. Face à cette alerte, seuls les constructeurs automobiles, auraient l’opportunité de se réinventer en exploitant les potentiels humains et technologiques considérables de ces nouvelles filières industrielles : l’automobile propre 100% électrique en considérant une origine renouvelable de la production de l’électricité.
Le progrès en électronique de puissance et de lois de commande depuis plusieurs décennies a permis de conquérir le pilotage des machines électriques. Concernant ces machines, la veille technologique des paliers magnétiques et des roulements à haute vitesse contribuent à l’essor des machines rapides. Par le développement des outils numériques de simulation, la modélisation des différents phénomènes s’avèrent de plus en plus précise.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR (Agence Nationale de la recherche) intitulé e-MECA (electro-Mécanique Embarquée à Compacité Améliorée) dont l’objectif principal est de rechercher des machines innovantes ultra-compactes et à hautes vitesses dédiées aux systèmes électro-mécaniques embarquées. Ce projet est piloté par la société Valeo en collaboration avec deux autres industriels : IFP-Energies Nouvelles et SKF ainsi que trois laboratoires (Satie, Dynfluid et Tempo). Le Satie assume la coordination scientifique des laboratoires tandis que Valeo est garante de la cohérence des choix technologiques en vue de leur application industrielle.
Ces travaux sont particulièrement dédiés aux machines de type moteur-générateur d’une puissance de 8kW à 12kW pour les véhicules mild et full hybrides. Le cahier des charges a été modifié à plusieurs reprises dans le but de répondre aux exigences techniques qui rendent cette dernière plus concurrente. Elle doit en effet, assurer un fort couple de démarrage pendant les deux premières secondes, fonctionner ensuite aussi bien en mode moteur qu’en mode générateur tout en assurant une puissance mécanique/électrique constante sur la large plage de vitesse (Figure 1-1). Dans l’objectif de déceler de meilleures performances, nous proposons non seulement d’augmenter la vitesse de rotation jusqu’au 50ktr/min mais aussi d’optimiser la vitesse de base. Nous tenons à préciser que le premier cahier des charges considère seulement le mode moteur. L’axe principal consiste alors à augmenter la fréquence de conversion (et donc la vitesse de rotation et/ou le nombre de paires de pôles) afin de diminuer l’encombrement de la machine. Ainsi, ceci conduit à s’interroger sur le choix de matériaux les mieux adaptées aux vitesses/fréquences élevées. Un tel cadre d’entrainement nécessite une étude spécifique des performances de la machine, il est indispensable de bien connaitre son fonctionnement ainsi que les contraintes particulièrement générées.
Problématique de la haute vitesse
Notion et Intérêt des machines rapides
Depuis deux décennies, l’orientation vers les machines à haute vitesse a pris un tournant décisif. En 1995, Reichert et Pasquerella [1] ont établi des formules analytiques reliant le diamètre rotorique à la vitesse de rotation tout en prenant en considération certaines limitations: 1) la vitesse périphérique ; 2) la tenue mécanique du rotor ; 3) l’échauffement du rotor ; 4) la puissance volumique. Ainsi, ils ont conclu que pour des basses vitesses (< 9 ktr/min) et hautes puissances (< 30 MW), l’alimentation des machines synchrones avec un onduleur de courant procure de meilleures performances (la commande en couple est plus simple à implémenter). Néanmoins, pour les hautes vitesses (< 100 ktr/min) et faibles puissances (< 2 MW), les machines à induction alimentées par un onduleur de tension présentent les meilleures solutions. Les machines à aimants permanents ont été choisies pour s’adapter aux applications hautes et faibles vitesses en jouant sur les deux commandes. En 1998, l’architecture avec les aimants en surface a été développée en adoptant la notion de la pression magnétique tangentielle et sa limite en fonction de la vitesse .
Machines envisageables
Plusieurs architectures sont candidates pour fonctionner à haute vitesse. La robustesse, le rendement et la compacité sont les critères déterminants afin de bien dimensionner et optimiser les machines rapides. Dans la littérature, les machines asynchrones (MAS), les machines à aimants permanents (MAP), les machines à reluctance variable (MRV) et les machines homopolaires ont été sollicitées et largement répandues dans les applications hautes vitesses.
Machine asynchrone
Le rotor de la machine asynchrone « rapide » peut être rainuré ou massif constitué de tôles ferromagnétiques et de barres conductrices régulièrement réparties à la périphérie appelé rotor à cage. Avec une telle machine, il est possible d’atteindre des vitesses périphériques de l’ordre de 400 m.s-1 [11]. En effet, lorsqu’on rainure le rotor par exemple, les performances électromagnétiques sont nettement améliorées bien que la résistance soit nettement diminuée. Les courants induits ont tendance à toujours circuler sur les extrémités ce qui permet, non seulement d’augmenter la surface de passage du flux mais aussi augmenter le niveau de température [12] contrairement aux machines à aimants qui sont limitées par la température de Curie des aimants permanents (ex : Ferrites : 300°, NdFeB : 310° [54]).
Par ailleurs, la machine asynchrone à cage peut atteindre des vitesses périphériques importantes grâce à un système de renforcement qui, suite à la conductivité élevée des barres, permet d’augmenter le facteur de puissance (~0.7) et par conséquent les rendements. Caprio [13] a abordé une étude thermique et mécanique en particulier sur les barres dédiée à une application de stockage d’énergie d’un navire par volant d’inertie (2MW-15000 tr/min). Il a montré l’avantage du renforcement pour atteindre une vitesse périphérique de l’ordre de 280 m/s. Néanmoins, cette machine à l’inconvénient de générer des harmoniques de courant importants d’où des pertes supplémentaires. Récemment, Patzak et Gerling [14] ont abordé cet aspect en se référant aux travaux de [15] pour dimensionner un alterno-démarreur d’un véhicule hybride qui fournit un couple de démarrage assez élevé (150 N.m) et une puissance de plus de 10 kW dans un volume de 24 l en utilisant un bobinage concentrique au stator.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Problématique de la haute vitesse
1.1 Introduction
1.2 Notion et Intérêt des machines rapides
1.3 Machines envisageables
1.3.1 Machine asynchrone
1.3.2 Machine à reluctance variable
1.3.3 Machine à aimants permanents
1.3.4 Machine homopolaire
1.4 Synthèse des différentes machines
1.5 Limitations et contraintes de la haute vitesse
1.5.1 Tenue mécanique
1.5.2 Tenue thermique
1.5.3 Contraintes technologiques
1.5.4 Performances limites
1.6 Notions de dimensionnement optimal
1.6.1 Optimisation du dimensionnement
1.6.2 Les algorithmes d’optimisation
1.7 Conclusion
1.8 Objectifs – Verrous de la thèse
Chapitre II : Contribution au dimensionnement optimal de machines synchrones à aimants
2.1 Introduction
2.2 Choix des topologies
2.3 Modélisation simplifiée de la machine
2.3.1 Analyse électromagnétique
2.3.2 Analyse des pertes
2.3.3 Autres modèles
2.4 Méthodologie du dimensionnement optimal : 1er Dimensionnement
2.4.1 Calcul des dimensions statoriques
2.4.2 Calcul des dimensions rotoriques
2.5 Méthodologie de comparaison
2.5.1 Problème d’optimisation bi-objectif
2.5.2 Résultats d’optimisation
2.6 Bilan
2.7 Machine à aimants en V et à bobinages dentaires
2.7.1 Introduction
2.7.2 Simulation et validation par EF
2.8 Machine à aimant en V et à bobinages à épingles
2.8.1 Aimants en bas
2.8.2 Aimants en haut
2.9 Conclusion
Chapitre III : Modélisation fine de la machine retenue
3.1 Introduction
3.2 Modélisation mécanique
3.2.1 Introduction
3.2.2 Hypothèse d’étude
3.2.3 Expression de la contrainte d’un anneau circulaire
3.2.4 Expression de la contrainte pour notre rotor à aimants
3.2.5 Validation du modèle analytique
3.2.6 Exemple de validation sur une autre topologie du rotor
3.2.7 Conclusion sur la modélisation mécanique
3.3 Modélisation électromagnétique par schéma reluctant
3.3.1 Présentation du problème
3.3.2 Méthode de résolution du système
3.3.3 Validation par EF
3.3.4 Conclusion sur le modèle magnétostatique
3.4 Courant du court-circuit
3.4.1 Introduction
3.4.2 Modèle de Park avec prise en compte des pertes Joules
3.4.3 Modèle non linéaire avec la méthode de Newton Raphson
3.4.4 Conclusion sur le modèle du calcul de courant de court circuit
3.5 Limite de désaimantation
3.6 Type de la commande : en Courant ou en Tension
3.6.1 Positionnement du problème
3.6.2 Commande en courant sinus
3.6.3 Commande en créneau de tension
3.6.4 Conclusion sur la commande
3.7 Modélisation des pertes onduleur
3.7.1 Introduction
3.7.2 Pertes par conduction
3.7.3 Pertes par commutation
3.7.4 Elaboration des modèles en fonction du courant calibre des interrupteurs
3.8 Modélisation fine des pertes électromagnétiques
3.8.1 Pertes Joules avec pertes supplémentaires
3.8.2 Caractérisation des coefficients des pertes fer
3.8.3 Conclusion sur le calcul des pertes
3.9 Modélisation thermique
3.9.1 Introduction
3.9.2 Modèle nodal de la machine étudiée
3.9.3 Comparaison d’un exemple d’application avec les éléments finis
3.9.4 Conclusion sur le modèle thermique
3.10 Bilan
Chapitre IV : Optimisation multi-physique de la machine à aimants en V à épingles
4.1 Introduction
4.2 Formalisation du problème d’optimisation
4.2.1 Présentation des fonctions objectifs
4.2.2 Présentation des variables d’optimisation
4.2.3 Présentation des contraintes d’optimisation
4.3 Plan de la plateforme d’optimisation
4.4 Résultats et analyses
4.5 Conclusion sur le dimensionnement optimal
Conclusion Générale
