Contribution à l'élaboration d'une méthodologie générale de conception des machines à aimants permanents à haute vitesse

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par L'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Génie Électrique JURY Pr. FOGGIA Albert (Président du jury) Pr. BARAKAT Georges (Rapporteur) Dr. NETTER Denis (Rapporteur) Dr. HENAUX Carole (Codirecteur) Pr. NOGAREDE Bertrand (Directeur de thèse) Mr. BRODEAU Pierre (Examinateur) Dr. DEVANNEAUX Vincent (Invité) Ecole doctorale : GEET Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE Directeur(s) de Thèse : Pr. NOGAREDE Bertrand Présentée et soutenue par Mathieu COUDERC Le 4 Juillet 2008 Titre : Contribution à l'élaboration d'une méthodologie générale de conception des machines à aimants permanents à haute vitesse

  • modèle analytique

  • modelling available

  • motor speed

  • machine électrique

  • aimants permanents

  • méthodologie générale de conception des machines


Publié le : mardi 1 juillet 2008
Lecture(s) : 213
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 195
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Résumé
Cette thèse s’est articulée autour de trois axes principaux. Dans un premier temps, les recherches se sont portées sur l’identification des problèmes (mécanique, thermique, pertes) liés à la conception des machines électromagnétiques hautes vitesses, et plus particulièrement des machines synchrones à aimants permanents. Dans ce premier travail, nous nous sommes plus particulièrement concentrés sur les aspects magnétiques, tels que l’étude des différentes sources de pertes générées au sein de la structure générique d’un moteur à aimants permanents. Ces pertes qui apparaissent simultanément au niveau du rotor, sous l’effet des courants induits, et au niveau du stator (en raison de l’hystérésis magnétique, des courants de Foucault, et de l’effet Joule) constituent un aspect d’autant plus critique que le moteur fonctionne dans une plage incluant de très hautes vitesses (>40 000tr/min pour une puissance de10kW à100 kW). En conséquence, dans l’optique de la définition d’un moteur optimisé en termes d’effort massique et de rendement, la mise en place de modèles prédictifs capables de rendre compte de ces pertes, a été effectuée. Audelà, des modèles physiques disponibles dans le domaine des matériaux magnétiques, il s’agissait de mettre en place des représentations à caractère générique susceptibles d’être exploitées dans un schéma de conception optimale.
Parallèlement à cette première étude, un effort méthodologique a été déployé afin de déve lopper des modèles analytiques dimensionnels de la machine synchrone à aimants permanents. A partir de ces méthodes, et d’un modèle de machine basé sur la forme et le type d’aimantation des aimants permanents, nous nous sommes attachés à développer un nouveau modèle analy tique qui prend en compte les phénomènes physiques majeurs inhérents au fonctionnement à haute vitesse, à savoir les courants induits dans les parties conductrices tournantes. Dans ce contexte, il a été nécessaire de redéfinir une structure de référence dont le rotor conducteur supporte par ailleurs une couche métallique conductrice faisant office de frette. Dans un premier temps, un modèle a été réalisé pour une distribution des conducteurs avec un pas diamétral et une alimentation sinusoïdale, ce qui correspond à la configuration statorique la plus utilisée et la plus standard pour ce type de moteur.
Après s’être confronté à un premier dimensionnement de machine haute vitesse, nous avons décidé de rendre notre modèle plus générique afin qu’il puisse prendre en compte un bobinage et une forme d’alimentation quelconque. Cette amélioration permet de rendre compte fidèle ment des conditions de fonctionnement de l’actionneur (association convertisseurmachine), notamment les harmoniques de courants apportées par le convertisseur. Les modèles analytiques implantés ont été entièrement validés par simulations numériques, et ont donné des résultats très satisfaisants. Dès lors, il a été possible d’implanter ce logiciel dans un environnement
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informatique directement exploitable au sein de la société LIEBHERR AEROSPACE.
Suite à une première phase de validation des modèles analytiques par simulations numé riques, des tests expérimentaux ont été menés sur des machines électriques hautes vitesses. La comparaison de tous les résultats obtenus démontre de façon satisfaisante la fiabilité des modèles développés. L’ultime phase de l’étude concerne la réalisation d’un démonstrateur avec une structure de type machine à aimants permanents. Conformément à la stratégie adoptée par l’industriel, cette étude expérimentale s’est appuyée sur la réalisation d’un prototype à l’échelle 1 (puissance de 70 kW).
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Mots clés : modèle analytique courants induits au rotor conditionnement d’air
machine synchrone à aimants permanents outil de dimensionnement machine turbomachine électrique
haute vitesse aéronautique Liebherr Aerospace
Abstract
This thesis is divided in three main axes. Firstly, researches are done on identification problems (mechanics, thermals, losses) links to high speed electromagnetic machine design, and most particularly of permanent magnet synchronous machine. In this first work, magnetic aspects such as study of different losses origins in permanent magnet machines are been reached. These losses appear in the same time in the rotor (induced current), and in the stator (magnetic field hysteresis, eddy current, Joule effect). The higher motor speed is, the most critic these loses are (>40 000rpm with a power of10kW to100kW). In order to define an optimal design in terms of weight effort and efficiency, the predictive modelling of these losses is been studied. Beyond physical modelling available on magnetic materials, a generic representation to be able to use in an optimal design schematic was be studied.
Secondly, a methodological effort is been achieve to develop sizing analytical modelling of permanent magnet synchronous machine. From this method and a machine modelling based on permanent magnets shape and type of magnetization, a new analytical modelling is developed. It takes into account major physical phenomenon due to high speed, mainly the induced current in the rotating conductive parts. In this context, it will be necessary to redefine a referential structure where the conducting parts (magnets and sleeve) are represented by a superficial current. In this first part, the stator winding is a full pitch represented by an equivalent ampere conductor distribution and the electrical supplier is only sinusoidal current. So, it’s the most popular and standard configuration for this machine.
In this second part the analytical modelling is upgraded to take into account different types of windings and any current forms. This improvement allows to consider the real electrical supplier (combination of invertermachine) as the current harmonics due to the inverter. The analytical modelling is been validated by a comparison with a finite element calculation. The obtained results are very close. So, Liebherr Aerospace decided to develop a dedicated software which is based on this analytical modelling.
Further to the complete numerical validation of our analytical modelling, experimental test have been done on the high speed electrical machine. The comparison of results shows the reliability of the developed modelling. The final point of this study is the prototype realisation of high speed electrical machine (70 kw) in phase with the strategy of the industrial.
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Keywords : analytical modelling rotor induced currents air conditioning
permanent magnet synchronous machine Tools for electric machine design electric turbocompressor
high speed aeronautic Liebherr Aerospace
Remerciements
Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le Groupe de Recherche en Électrodynamique, Matériaux, Machines et Mécanismes Électroactifs (GREM3) du Laboratoire Plasma et Conversion d’Énergie (LAPLACE) à l’ENSEEIHT de Toulouse. L’entreprise LIEBHERR AEROSPACE TOULOUSE (LTS) a été l’initiateur de cette thèse et en a assuré le financement par l’intermédiaire d’une bourse CIFRE.
Je tiens tout d’abord à remercier M. Bertrand NOGAREDE, Professeur à l’ENSEEIHT, de m’avoir accueilli au sein du groupe GREM3, et de m’avoir encadré durant ces trois années de thèse. Malgré son planning chargé, il m’a toujours consacré du temps quand j’en ai eu besoin, même tard le soir, pour me débloquer ou m’éclairer. Je tiens évidemment à remercier Mme Carole HENAUX, Maître de conférence au LAPLACE, qui a suivi de près mon travail, et qui m’a beaucoup aidé pendant ces trois an nées, surtout sur la fin. Elle a su m’encourager et m’épauler durant tout ce temps. Elle a été plus qu’une encadrente pour moi, elle restera une amie. Je tiens également à remercier M. Pierre BRODEAU, responsable du groupe électroméca nique à LTS, qui m’a fait confiance pour mener à bien ce projet et qui a su me laisser l’autonomie dont j’avais besoin tout en m’impliquant dans les projets de l’entreprise. Sans ces trois personnes, je n’aurais certainement pas eu la chance et le plaisir de réaliser cette thèse et de connaître le monde de la recherche qui a été à la fois enrichissant scientifi quement et humainement de part toutes les personnes passionnées et intéressantes que j’ai été emmené à rencontrer. Je souhaite exprimer aussi ma reconnaissance envers les autres personnes qui ont accepté d’être membre de mon jury de thèse :
 M. Albert FOGGIA, Professeur des universités au laboratoire G2ELAB, qui m’a fait l’honneur de bien vouloir présider mon jury. Je le remercie d’avoir lu mon travail et d’avoir fait des remarques constructives lors de ma soutenance.
 M. Georges BARAKAT, Professeur des universités au laboratoire GREAH, pour s’être intéressé à ces recherches en tant que rapporteur, et pour avoir animé le débat pendant la soutenance.
 M. Denis NETTER, Maître de Conférence et HDR au laboratoire GREEN, pour l’intérêt qu’il a porté à mes travaux en acceptant d’en être le rapporteur, et aussi pour sa vision d’expert sur le sujet.
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Je tiens aussi à remercier toutes les personnes du groupe GREM3, Eric DUHAYON, Dominique HARRIBEY, Yvan LEFEVRE, Jean François ROUCHON, et le petit dernier François PIGACHE (pas si petit que ça d’ailleurs) qui dynamisent la vie de ce groupe et qui ont toujours été présent quand j’ai eu besoin d’eux.
Je tiens bien sûr à remercier toute l’équipe électromécanique de LTS, Y. ABDELLI, A. ALEXANDRE, JP. CARAYON, D. DEMATA, A. DINIZ, E. LAFOND, F. FELIZOT, F. FER LOUBET, G. FOUQUET, Y. PETIT, R. RUELLAND, A. SCHALL, R. WOJCIESZONAK de m’avoir soutenue et aidé pendant ces années. Je remercie plus particulièrement Vincent DEVAN NEAUX qui malgré son caractère et son franc parlé a été d’un soutient sans faille. Il a su m’aider et m’encadrer durant ces trois années. Je remercie aussi les filles du secrétariat, de la comptabilité et de la bibliothèque du labo ratoire, Fatima, Valérie, Christine, Bénédicte, Fanny, Elisabeth pour leur bonne humeur et leur aide. Je remercie également les informaticiens du laboratoire, J. BENAIOUN, J. HECTOR, qui m’ont permis de rester connecté et de finir cette thèse. Je remercie aussi Nadia de l’ENSEEIHT qui veillait toujours à ce que nous restions pas dormir au Laboratoire. Je remercie les directeurs, les professeurs, les maîtres de conférence et les techniciens du laboratoire avec qui j’ai discuté et qui ont participé à mon intégration dans ce laboratoire.
Merci à tous les thésards et stagiaire du LAPLACE (exLEEI) que j’ai rencontré et qui ont fait et pour certains qui font encore que travailler dans ce laboratoire reste un plaisir de part la bonne humeur et l’ambiance chaleureuse qu’ils contribuent à maintenir. Tout d’abord, je remercie les plus anciens qui nous ont initié et montré le chemin, je veux parler de Lauric, Jérôme D, Alexis, Olivier L., Afef, Adam, PaulEtienne. Ensuite, les un peu moins anciens avec qui j’ai passé quelques années sympathiques et mêmes quelques soirées : Jesus, Gianluca, Ali, Jérôme M, Jérôme F, Christophe, Wojciech, martin, julien, Annemarie. Un merci tout particulier à Matthieu (avec 2t) pour les moments passés ensembles, ta bonne humeur, et aussi pour m’avoir laissé Carole :).
Je remercie bien sûr les doctorants de ma génération Abdenour (le Kabyle), Rockys (notre antenne SNCF et champion de salsa), Walid (le libanais), Samer (le syrien), Yousef (le syrien qui est aussi le sage du village), Zedong (zheng, le chinois), Rafael (le colombien), et Valentin (le roumain). Dans cette lignée, Il y avait aussi Marcus ALEXANDRE TOWARD de SOUSA (le brésilien, le seul qui ne sait pas jouer au foot...merci bernardo, mais c’est quand même un bon supporter sauf pour 98) et Marcos GARCIA ARREGUI (l’espagnol basque ou le basque espagnol) avec qui j’ai passé trois années inoubliables que ce soit pendant le repas du midi souvent animé par ce cher Bayram TOUNSI (supporter du CSS, puis du stade Toulousain) ou que ce soit dans d’autres circonstances.
Je tiens à remercier mes acolytes du bureau F309, Adao DELEHELLE, Chritophe VIGUIER (surnommé Titou) et Nicolas MARTINEZ qui ont du me supporter au quotidien. J’ai apprécié
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les discussions scientifiques et sérieuses mais aussi les moments plus déjantés que nous avons partagé. Je remercie aussi Nicolas pour l’expédition 4L Trophy au Maroc sans lui je n’aurais pas eu l’audace de le faire (surtout en dernière année), et j’embrasse toute sa petite famille et mon frère qui nous a bien aidé pour préparer la voiture. Je souhaite bon courage aux futurs docteurs du laboratoire, François B, François D, Anthony (le roi du tipunch), Delphine, Cédric, Marwan, Vincent, Laurianne, Sylvain, Clément, Frédéric, Raphaël, Bernardo, Hoan, Meriem, André ..., qui seront sans aucun doute maintenir l’ambiance chaleureuse de ce laboratoire.
Je remercie mes amis, François H, Maryline D, Nicolas D, Nicolas L, Charlotte, Céline, Georges, Jeanmi, Sylvie, Geraldine, Guy, Bart, Dudu, Lolo, Guilhem, Olivier, Francis, Martial qui n’ont pas tous compris ceux sur quoi je travaillais mais qui ont toujours été présent ou pas très loin. Je remercie plus particulièrement mes colocs et amis, Vincent et Guillaume qui m’ont supporté et aidé pendant la phase de rédaction. Je remercie Marie pour son soutien sans faille et ses playlistes qui m’ont permis de rester éveillées de longues heures pendant la rédaction. Je souhaite aussi bon courage à ma petite céline qui va bientôt rédiger sa thèse.
Et enfin, je remercie toute ma famille, mes parents et mes deux frères de m’avoir soutenus, d’avoir crus en moi, et de m’avoir aidés durant ces longues années d’études. je n’aurais certaine ment pas fait tout cela sans vous. Encore merci.
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Table des matières
Table des matières
Table des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
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L’avion plus électrique : l’enjeu des machines hautes vitesses 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Vers l’avion plus électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Accroissement du besoin énergétique dans les avions . . . . . . . . . . . 1.2.2 Architecture énergétique type d’un avion de ligne standard . . . . . . . . 1.2.2.1 Circuit hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2 Circuit électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Architecture énergétique d’un avion de ligne plus électrique . . . . . . . 1.2.3.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.2 Exemple d’avion plus électrique : l’A380 . . . . . . . . . . . . 1.2.4 L’avion tout électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4.1 Solutions envisagées dans une architecture tout électrique . . . 1.2.4.2 Les programmes de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Le conditionnement de l’air dans l’avion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Introduction : système de traitement de l’air dans l’avion . . . . . . . . . 1.3.2 Le conditionnement d’air aujourd’hui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.1 Le prélèvement d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.2 Le pack de conditionnement d’air . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.3 La distribution et la régulation de la température des zones cabines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Système de pressurisation cabine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Système d’antigivrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5 Le conditionnement d’air électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Les machines électriques hautes vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Définition de la haute vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Machine électrique et domaine d’application . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.1 Machine synchrone à inducteur bobiné . . . . . . . . . . . . .
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