Modélisation des machines asynchones et synchrones à aimants avec prise en compte des harmoniques d'espace et de temps : application à la propulsion marine par POD, Modelisation of induction and permanent magnets synchronous machines taking into account time a space harmonics : pOD ship propulsion application

Rambane Lateb

Description

Sous la direction de Farid Meibody-Tabar
Thèse soutenue le 19 octobre 2006: INPL
Ce travail porte sur la modélisation et le dimensionnement des moteurs à aimants permanents et asynchrones destinés à la propulsion marine par POD. Un état de l’art est présenté, où les différentes topologies de moteurs pour ce type d’application y sont abordées. La Machine à aimants permanents et la machine asynchrone on été retenue pour notre application. Dans le cas de la machine à aimants permanents, une analyse par éléments finis est effectuée pour dimensionner la machine à aimants permanents et minimiser les principaux harmoniques de la FÉM. Un modèle éléments finis 2D en magnétostatique couplé à un modèle circuit est développé pour la prédiction des couples pulsatoires dues aux harmoniques du convertisseur. En ce qui concerne la machine asynchrone, Pour tenir compte des harmoniques d’espace et évaluer leurs pertes, un modèle électromagnétique utilisant la résolution par éléments finis 2D en magnétodynamique couplé à un modèle circuit est développé. Par ailleurs, un autre modèle basé sur le principe de couplage éléments finis- circuit électrique est développé pour tenir compte des harmoniques de temps du variateur, ce modèle permet d’évaluer à la fois les pertes dues aux harmoniques de temps, mais aussi des couples pulsatoires. Dans la phase de validation et vérification des différents calculs, nous avons utilisé l’outil Flux2D de calcul par éléments finis qui tient compte de la rotation du rotor (pas à pas dans le temps) et effectué certaines mesures (cas de la machine à aimants permanents). Les résultats des calculs obtenus par les modèles développés concordent avec ceux obtenus par la méthode temporelle (pas à pas dans le temps) et les quelques mesures dont nous disposons
-Moteur à aimants permanents
-Moteur asynchrone
-Eléments finis
-Propulsion par POD
-Harmoniques d’espace
-Harmoniques de temps
-Couples pulsatoires
-Couples de détente
-Segmentation des aimants
-Pertes
This work concerns the modeling and the design of the permanent magnets and asynchronous motors intended for POD ship propulsion. A state of the art is presented, where various topologies of motors designed for this application are approached there. The permanent magnet motor and the induction motor have been chosen for the application. For the permanent magnets motor, a finite element analysis is adopted to design and minimize the main harmonics leading to a quasi sinusoidal back EMF. A finite element model coupled to an electrical circuit allows to predict both current and torque waveforms including time harmonics knowing the voltage waveform of the inverter. The induction motor is designed in such a way to have minimum losses and pulsating torque. For this purpose, a 2D complex finite element method coupled to an electrical circuit is developed. In addition, another 2D finite element-electrical circuit model is proposed to evaluate time harmonics losses and to reconstitute the current and torque waveforms. This model allows to predict the pulsating torques. The validation and verification step is done by using a time stepping finite element software Flux2D and some available measurements (for the permanent magnets motor). The comparison of the calculations obtained by the different methods and software, as well as the available measurements is satisfactory
-Permanent magnets motor
-Induction motor
-Finite element
-POD propulsion
-Space harmonics
-Time harmonics
-Magnet segmentation
-Pulsating torque
-Cogging torque
-Losses
Source: http://www.theses.fr/2006INPL055N/document

Sujets

• Machine asynchrone
• Méthode des éléments finis

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 280
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Institut National Polytechnique de Lorraine
ECOLE DOCTORALE « Informatique-Automatique-Electronique-Mathématiques »
Département de Formation Doctorale « Electrotechnique-Electronique »
Laboratoire « Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy »

THESE
Présentée

L’Institut National Polytechnique de Lorraine
en
uee’obtentionugradee
DOCTORAT DE L’I.N.P.L
SpécialitéénieElectrique
par
Ramdane LATEB
MAGISTER en Génie Electrique (E.M.P d’ALGER)
MODELISATION DES MACHINES
ASYNCHRONES ET SYNCHRONES A AIMANTS
AVEC PRISE EN COMPTE DES AVEC PRISE EN COMPTE DES
HARMONIQUES D’ESPACE ET DE TEMPS :
Application à la propulsion marine par POD

le9ctobre006evanta ommission’Examen
- Membres du Jury -

B.%EMAIRE*SEMAIL Professeurolytech’Lille Préside nte
M*E.AIM Professeur’EPUNaint0azaire Rapporteur
M.ABSI Maîtree onférencesL’ENS achan Rapporteu r
A.)EZZOUG Professeur%’UHP*Nancy Examinateur
F.&EIBODY*TABAR Professeur’INPL Directeureah èse
N.8AKORABET Maîtree onférences’INPL Co*directeur ehèse
J.NON CONVERTEAM&otorsNancy Invité
A.ARRIBOUETTE CONVERTEAM&otorsNancy Invité
J*C.&ERCIER CONVERTEAM&otorsNancy Invité
A.&IRZAIAN CONVERTEAM5rance–Belfort Invité

Groupe de Recherche en Electrotechnique et en Electronique de Nancy
Unité Mixte de Recherche du CNRS 7037REMERCIEMENTS

Ces travaux de recherche se sont déroulés au laboratoire du Groupe de Recherche en
Electrotechnique et en Electronique de Nancy (GREEN). Ils s’inscrivent dans le cadre d’une
collaborationentreleGREEN,ConverteamMotorsdeNancyetConverteamFrancedeBelfort,
deuxntitése onverteamnciennement'lstomower onvers ion.
J’adresse mes respectueux remerciements à Monsieur A. REZZOUG, Professeur à
l’UniversitéHenryPoincarédeNancyetDirecteurduGREENquiabienvoulum’accepterdans
sonlaboratoirepourl’élaborationdecettethèseetdem’avoirfaitl’honneurdefairepartiedece
jury. Qu’il trouve en ces quelques mots ma reconnaissance et ma gratitude pour ces précieux
conseils.
Je tiens à exprimer ma sincère gratitude à Monsieur F. MEIBODY*TABAR, Professeur à
l’INPLdeNancy,pouravoirétémonDirecteurdethèse.Sesconnaissancesetsonexpérience
ont été une source constante de savoir. Qu’il trouve en ces quelques lignes ma profonde
sympathie.
Je remercie Monsieur N. TAKORABET, Maître de Conférences à l’INPL, pour avoir co*
encadré ma thèse. Sa grande disponibilité et son engagement scientifique m’ont aidé à me
dépasserurantesnnées.
Jesuisparticulièrementsensibleàl’honneurquem’ontfaitMadameB.LEMAIRE*SEMAIL,
Professeur à Polytech’Lille d’accepter d’être Présidente du jury et Messieurs M*E ZAIM,
Professeur à l’EPUN Saint Nazaire et M. GABSI Maître de Conférences à L’ENS Cachan,
d’accepter’êtreapporteurseettehèse.
Mes remerciements vont aussi à l’endroit de Monsieur A. MIRZAIAN de la Société
CONVERTEAM,poursonsuividurantmonstagedeDEAetsonaccueilchaleureuxdansson
équipe.Cu’ilrouveci!arofondeympathieouraisponi bilitétesualités-umaines.
Cetravailaégalementétéréaliségrâceàlacompétenceetàlasympathiedel’équipetechnique
deCONVERTEAMMotorsdeNancy.J’adresseungrandmerci àMessieurs,J.ENONetA.
SARRIBOUETTEpourlaconfiancequ’ilm’onttémoignétoutaulongdecesannées,pourleur
disponibilitétussiouravoircceptée+aireartieu;u ry.
Mes vifs et sincères remerciements à Monsieur J.C. MERCIER, Directeur Technique de
CONVERTEAMpouravoiracceptédeparticiperdanslejurymaisaussipourlaconfiancequ’il
m’atémoignéenm’accueillantdanssonéquipe,mepermettantainsidecontinuerl’aventureau
seine ONVERTEAM.
J’aisincèrementappréciédurantcesannéeslabonneetchaleureuseambianceentretenuepar
les doctorants du laboratoire que je remercie vivement. Je tiens à saisir cette occasion pour
remercierlescollaboratricesetcollaborateurs,lestechniciennesettechniciensdulaboratoiredu
GREENettoutlecorpsderecherchedulaboratoireduGREENetleursouhaitedusuccèsdans
touteu’ilsntreprendront.
Que ceux qui se sentent oubliés, trouvent dans cette phrase ma profonde gratitude et mes
remerciementsour’aideteoutienpportéurantesnn ées.
Jesouhaiteaussiremerciertouteslespersonnesquim’ontnourridurantmavieparleursavoir
leurentillesseteurévouement.;eeauraiécrirenu elques!ots!aratitude.
Jesuisimmensémentreconnaissantàmesparentsquim’ontsoutenutoutaulongdemavie.
Jeleurdoisbeaucoup.Qu’ilstrouventdanscemanuscrittoutemareconnaissanceetlesigneque
jeuisnfinrrivéuout.
Enfin, comme dirait un poète de chez nous, «!ême si la mer devient encre, et le ciel du
papierG,celanesauraitsuffirepourexprimertoutcequejedoisàmafemme,poursonsoutien,
sesncouragementsonstantstaatienceontlleu’a rmeroutuongeesnnées.

edA m es Parents, M A rab et O uiza
A m on épouse Sam ira
A m on fils Ilian

SOMMAIRE

Introduction Générale.....................................................................................................................................1
Problématique et motivations.........................................................................................................................1
Structure de la thèse .......................................................................................................................................2
1.1. Introduction ..........................................................................................................................5
1.2. Le tout électrique..................6
1.3. Différentes structures des machines électriques pour les POD........................................8
1.3.1. La machine synchrone à rotor bobiné à double étoile......................................................................8
1.3.2. Topologies des machines à aimants permanents..............................................................................9
1.3.3. La machine asynchrone..................................................................................................................12
1.4. Comparaison des performances des différentes topologies ............................................13
1.5. Principaux matériaux utilisés dans les machines électriques.........14
1.5.1. Aimants permanents.......................................................................................................................15
1.5.2. Matériaux magnétiques ..................................................................................................................17
1.6. Topologie des convertisseurs et composants ...................................................................21
1.7. Fiabilité des systèmes .........................................25
1.8. Exigences et contraintes de l’application par POD.........................................................26
1.9. Matériaux et contraintes pour l’application considérée.................29
1.10. Conclusion...........................................................................................32
2.1. Introduction........................................................32
2.2. Approche de dimensionnement et d’optimisation...........................34
2.3. Influence des paramètres géométriques sur le couple moyen ........................................35
2.4. Minimisation des harmoniques du "couple d’interaction"............38
2.4.1. Harmoniques de bobinage..............................................................................................................40
2.4.2. Harmoniques de l’induction d’entrefer produite par les aimants ...................................................42
2.5. Minimisation du couple de détente ...................................................................................45
22..55..11.. Nombre d’encoches statoriques .....................................................................................................46
22..55..22.. Epanouissement des aimants et effet de la segmentation...............................................................47
2.5.3. Cales magnétiques..........................................................................................................................49
2.6. Dimensionnement et résultats de simulation pour différentes polarités .......................51
2.6.1. Niveau d’induction et hauteur de culasse.......................................................................................52
2.6.2. Force électromotrice à vide............................................................................................................55
2.6.3. Couple moyen et ondulations de couple ........................................................................................55
2.6.4. Pertes...........................................................................................................