Moteur Linéaire pour la Traction Ferroviaire

Le moteur linéaire est de plus en plus populaire. On le trouve dans de nombreuses applications industrielles, mais également dans les systèmes de transport. En effet, les moteurs linéaires sont utilisés pour les transports urbains depuis de nombreuse années, car ils sont moins bruyants, plus confortables et nécessitent moins de maintenance. Les trains à sustentions magnétiques à moteur linéaire sont des équipements innovants pour les transports publics. Cet équipement est une solution pertinente pour gérer l’augmentation de la population et son extension vers de nouvelles zones d’activités.

Pour développer les transports, de nouveaux systèmes de traction sont nécessaires. Cette thèse concerne la conception optimale des moteurs linéaires pour la traction électrique. Ces moteurs sont particulièrement complexes à étudier car de nombreux phénomènes modifient le comportement classique de la machine. L’objectif de cette thèse est d’explorer les techniques de conception optimale pouvant conduire à la conception fine d’un tel dispositif. Différentes granularité de modélisation, différents niveaux de modélisation, seront testées au sein d’un processus d’optimisation unique.

La conception est un processus itératif pouvant être réalisée manuellement par le concepteur ou automatisée partiellement grâce à une méthode d’optimisation. La méthode manuelle de conception est basée sur l’analyse d’un expert qui bâtit un processus inverse basé sur des hypothèses simplificatrices et qui guide la démarche de conception. Grâce au développement de l’informatique, la modélisation numérique permet de reproduire précisément les performances d’un dispositif. Ainsi la conception d’une machine électrique peut être réalisée à l’aide des modèles numériques et d’algorithme d’optimisation. Cette approche automatise le processus de conception en intégrant toute la complexité des phénomènes physiques mis en jeu et ainsi permet d’obtenir des solutions performantes.

UTILISATION DES MOTEURS LINEAIRES DANS LES SYSTEMES FERROVIAIRES 

Il existe depuis longtemps des applications avec des moteurs linéaires dans le domaine ferroviaire. Les moteurs linéaires se sont développés grâce à leurs capacités à générer des systèmes de lévitation, mais aussi pour leurs capacités de traction. Un moteur linéaire permet de générer directement une force de poussée sans aucun système intermédiaire de transformation de l’énergie de rotation en énergie de translation. Le premier brevet du moteur linéaire pour un train a été proposé par un inventeur allemand, Alfred Zehden, aux Etats-Unis en 1902 [ZEH_1902]. Une série de brevets pour des trains à lévitation magnétique propulsés par des moteurs linéaires a été déposée par Hermann Kemper entre les années 1935 et 1941. A l’heure actuelle, les applications du moteur linéaire pour le ferroviaire peuvent être divisées principalement en deux catégories : les trains traditionnels avec des roues et les trains sans roues qui utilisent la technologie de la Lévitation Magnétique (Maglev). Dans une première partie, ces deux applications du moteur linéaires sont présentées. Ensuite, les avantages et les inconvénients de ces différentes applications sont passés en revue. Finalement, les projets futurs à base de moteur linéaire dans les systèmes ferroviaires sont présentés.

Trains traditionnels avec roues

L’utilisation du moteur linéaire dans les systèmes ferroviaires avec roues sont présentés dans cette partie. Tout d’abord, l’histoire des applications est présentée. Ensuite, les avantages et inconvénients sont discutés.

Histoire des applications
Ce type d’application utilise des roues et des rails traditionnels. Le train est propulsé par des forces magnétiques provenant de courants induit dans une bande conductrice située entre les rails. La première apparition de moteur linéaire pour la traction ferroviaire débute en 1905 grâce à l’idée de Zehen [ZEH_1902]. C’est un moteur linéaire polyphasé enserrant une plaque disposée verticalement entre les deux rails. La Figure 1-1 présente le brevet. Ce type de train peut avoir des roues en acier ou pneumatique. Le circuit inducteur est sur le véhicule et le circuit induit est constitué par le 3eme rail. Le circuit induit est réalisé à partir d’une plaque de cuivre ou d’une plaque composite aluminium-cuivre. Devant les difficultés de contrôle et de réglage de la vitesse, les moteurs électriques linéaires ont été quasiment oubliées de 1905 jusqu’à 1945. L’intérêt est reconnu avec les applications militaires et notamment aux Etats Unis où Westinghouse met au point en 1946 des chariots pour des pistes de longueur limitée tels que les ponts de porte-avions. Ces chariots sont pourvus de moteurs linéaires avec un secondaire court et plat roulant sur rails, puis d’un primaire fixe et long implanté sur une voie de 420m pouvant développer une accélération de 100m/s2 et une vitesse maximale de 250km/h.

Avantages et inconvénients 

Le métro à moteur linéaire est une avancé pour les transports urbains. En effet, la traction linéaire apporte de nombreux avantages par rapport aux autres systèmes de transports traditionnels [ISO_99]. La force de poussée provient du troisième rail, et ne dépend plus du contact roue-rail comme dans le train traditionnel. Les roues servent seulement à soutenir le poids du véhicule. De plus le train à moteur linéaire n’a plus besoin de système intermédiaire de transformation de la force de rotation en force de translation. La suppression de cette partie permet de réduire la section du véhicule et ainsi la section de tunnel où se déplace le métro. Le Tableau 1-2 résume les avantages du système de transport à moteur linéaire. Le métro à moteur linéaire satisfait à tous les besoins de transport urbain. Toutefois les recherches se poursuivent afin d’améliorer la maintenance, de réduire l’impact environnemental, et la consommation énergétique. Ils ont aussi des inconvénients [BOL_02]. Le rendement et le facteur de puissance sont plus faibles que ceux des moteurs traditionnels, à cause de l’entrefer important nécessaire au système d’entrainement direct. Les moteurs linéaires ont des effets d’extrémités qui complexifient leur commande. Le champ magnétique n’est pas périodique dans l’espace. Ainsi le contrôle du moteur linéaire est plus complexe et donc plus coûteux.

Système à lévitation magnétique (Maglev) 

Avec l’augmentation de la population et de l’extension des zones d’activité humaines, les moyens de transport traditionnels ne satisfont plus les besoins. Des moyens de transport en commun innovant sont nécessaires. Le train utilisant le système de LEVitation MAGnétique (Maglev) est un très bon candidat.

Le Maglev est un système de transport qui suspend, guide et propulse le train. Tandis qu’un train conventionnel est propulsé à l’aide du frottement entre les roues et les rails, les Maglev utilise la lévitation sur la voie de guidage, et se propulse grâce à un moteur linéaire. La Figure 1-5 présente un système de Maglev. Il est composé de trois parties : le système de propulsion (i. e. le moteur linéaire), le système de lévitation et le système de guidage. Dans ce paragraphe, premièrement, le système de propulsion est présenté selon les différents types de moteurs linéaires utilisés. Deuxièmement, les applications du Maglev sont présentées selon les différents types de système de lévitation. Troisièmement, les avantages et les inconvénients par rapport aux systèmes classiques sont présentés.

Le système de propulsion

La force de propulsion du système Maglev provient des moteurs linéaires. Comme les moteurs linéaires génèrent directement la force de translation, sans système intermédiaire, la structure des trains avec moteurs linéaires est simple par rapport à celles avec moteurs traditionnels. De plus, les vibrations et le bruit provenant des contacts mécaniques sont fortement diminuées. Deux types principaux de moteur linéaire sont utilisés dans les Maglevs : les moteurs linéaires à induction et les moteurs linéaires synchrones [LEE_06]. La structure du moteur linéaire à induction est présentée sur la Figure 1-3(b). Il y a deux types de structure:
1). primaire court : le primaire est fixé sur le véhicule et le secondaire (souvent une plaque conductrice de l’électricité) est fixé sur le rail de guidage.
2). primaire long : le bobinage du primaire est fixé sur le rail de guidage et le secondaire est fixé sur le véhicule.

Le prix de construction pour la seconde structure est beaucoup plus important que le premier, mais il est préféré dans les systèmes à grandes vitesse. Les moteurs à primaire court sont préférés pour les systèmes de faible vitesse, c’est-à-dire les trains traditionnels. Les moteurs linéaires synchrones créent eux même leur champ magnétique d’excitation. Il y a deux types de moteur linéaire synchrone :
1). le champ est généré par un électro-aimant avec un noyau en fer, par exemple, le Transrapid (Figure 1-7).
2). le champ est généré par un supera conducteur avec un noyau en air, par exemple, le MLX technique (Figure 1-9). Pour les trains à grande vitesse, les moteurs linéaires synchrones sont préférés, parce qu’ils ont un rendement et un facteur de puissance élevé.

Le développement du Maglev
La technologie Maglev est considérée comme un moyen innovant de transport, mais elle a déjà une longue histoire que nous présenterons dans cette partie, selon les différents systèmes de lévitation utilisés. Actuellement, deux types de technologies de lévitation existent, électromagnétique et électrodynamique [YAN_08].

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : MOTEUR LINEAIRE POUR LA TRACTION FERROVIAIRE
I. INTRODUCTION
II. UTILISATION DES MOTEURS LINEAIRES DANS LES SYSTEMES FERROVIAIRES
II.1. Trains traditionnels avec roues
II.1.a. Histoire des applications
II.1.b. Avantages et inconvénients
II.2. Système à lévitation magnétique (Maglev)
II.2.a. Le système de propulsion
II.2.b. Le développement du Maglev
II.2.c. Avantages et inconvénients
II.3. Frein linéaire
II.4. Projets actuels
III. PRESENTATION DU MOTEUR LINEAIRE
III.1. Principe de base
III.2. Structure et classement
IV. ETAT DE L’ART EN MODELISATION ET EN CONCEPTION OPTIMALE
IV.1. Différentes démarches de conception
IV.2. Les modèles
IV.2.a. Modèle analytique
IV.2.b. Modèle numérique (éléments finis)
IV.2.c. Modèle intermédiaire
IV.2.d. Comparaison entre les différents modèles
IV.3. Formulation mathématique du problème d’optimisation
IV.3.a. Différentes expressions du problème d’optimisation
IV.3.b. Front de Pareto
IV.4. Résolution du problème d’optimisation multi-objectif
IV.4.a. Méthode de Pondération
IV.4.b. Méthode Epsilon-Contrainte
IV.4.c. L’algorithme NSGA-II
V. CONCLUSION
CHAPITRE 2 : MODELISATION D’UN MOTEUR LINEAIRE ET VALIDATION EXPERIMENTALE
I. INTRODUCTION
II. QUELQUES ELEMENTS DE MODELISATION DU MOTEUR LINEAIRE
II.1. Effets d’extrémités
II.1.a. Longueur finie-effet longitudinal
II.1.b. Largeur finie-effet transversal
III. PRESENTATION DU DISPOSITIF DE REFERENCE
III.1. Structure du LIM de référence
III.2. Présentation du banc d’essais
IV. MISE EN EVIDENCE DES EFFETS LONGITUDINAUX
IV.1. Distribution du flux dans le LIM
IV.2. Calcul des inductances
IV.3. Coefficient de couplage
IV.4. Calcul de la force de poussée
V. MISE EN EVIDENCE DES EFFETS TRANSVERSAUX
V.1. Distribution du flux dans le LIM
V.2. Calcul des inductances
V.3. Coefficient de couplage
V.4. Calcul de la force de poussée
VI. MESURE SUR BANC
VI.1. Mesure des inductances
VI.2. Mesure des coefficients de couplage
VI.3. Mesure de la force de poussée
VI.4. Conclusion sur la modélisation électromagnétique
VII. MOEDILISATION MULTIPHYSIQUE ET PRISE EN COMPTE DE LA TEMPERATURE
VII.1. Source de chaleur
VII.1.a. Les pertes Joule
VII.1.b. Les pertes fer
VII.2. Trois modes de transfert de chaleur
VII.2.a. Transfert par conduction
VII.2.b. Transfert par convection
VII.2.c. Transfert par rayonnement
VII.3. Couplage entre le modèle magnétique et thermique
VII.3.a. Construction du modèle thermique
VII.3.b. Couplage
VII.3.c. Comparaison entre simulations et essais
VIII. SIMULATION AVEC PRISE EN COMPTE DU MOUVEMENT
VIII.1. Simulation du LIM en régime permanent
VIII.1. Simulation d’un freinage
IX. CONCLUSION
CHAPITRE 3 : METHODES DE SUBSTITUTION
I. INTRODUCTION
II. TECHNIQUES D’INITIALISATION
II.1. Plans classiques
II.2. Carré Latin
II.3. Nombre de points
III. MODELE DE SUBSTITUTION
III.1. Modèle polynomial
III.1.a. Principe de construction
III.1.b. Exemple simple
III.2. Fonction radiale de base
III.2.a. Principe de construction
III.2.b. Exemple simple
III.3. Kriging
III.3.a. Principe de construction
III.3.b. Exemple simple
III.4. Validation du modèle
IV. CONCLUSION
CHAPITRE 4 : CONCEPTION OPTIMALE D’UN MOTEUR LINEAIRE DE TRACTION
I. INTRODUCTION
II. OPTIMISATION DIRECTE DES MODELES DE SUBSTITUTION (ODMS)
II.1. Formulation du problème d’optimisation
II.2. Comparaison entre les modèles de substitution
II.3. ODMS stratégie
III. EFFICIENT GLOBAL OPTIMIZATION (EGO)
III.1. Principe de EGO
III.2. Conception Optimale d’un moteur linéaire
III.2.a. Processus de conception d’une machine électrique
III.2.b. Conception à partir d’un point nominal
III.2.c. Formulation du problème d’optimisation
III.2.d. Résolution
III.3. Principe de MEGO
III.4. Application au moteur linéaire de référence
III.4.a. Optimisation bi-objectif
III.4.b. Tri-objectif optimisation
IV. OUTPUT SPACE-MAPPING (OSM)
IV.1. Principe de l’OSM
IV.2. Cas test
IV.2.a. Exemple A–cas idéal
IV.2.b. Exemple B–modèle trop grossier
IV.2.c. Exemple C–modèle avec contraintes
IV.2.d. Exemple D–OSM 3n
IV.3. Application au LIM
V. OPTIMISATION DANS LE CONTEXTE D’UNE MODELISATION DIFFICILE
V.1. Chainage des modèles
V.2. Problème d’optimisation multi-objectif avec Modèle Multi-physique EF
V.2.a. Formulation du problème d’optimisation
V.2.b. Stratégie d’optimisation
V.3. Critère de validation
V.4. Résultats de l’optimisation multi-objectif
VI. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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