Academic literature on the topic 'Machines synchrones – Modèles mathématiques'

La machine à réluctance variable à double saillance (MRV-DS) a largement été utilisée dans le domaine du positionnement incrémental. Avec les derniers progrès en électronique de puissance et de commande, le domaine d'utilisation de la MRV-DS tend à se diversifier avec des applications en fonctionnement synchrone à très grande vitesses. Quel que soit le fonctionnement envisagé, pas-à-pas ou synchrone, il est nécessaire d'élaborer un modèle de la machine pour pouvoir prédéterminer ses performances. Le mémoire de thèse est consacré à la modélisation et à l' étude de la MRV-DS dans son environnement de commande. Un modèle analytique classique est d'abord utilisé pour étudier le fonctionnement du moteur et dégager les aspects essentiels de son fonctionnement électromécanique. Il est également utilisé pour étudier le système commandé<br>Ce modèle étant basé sur des hypothèses simplificatrices, l'amélioration de la précision nécessite l'utilisation d'approches numériques. Le modèle bidimensionnel, basé sur la méthode des éléments finis (MEF-2D), est alors appliqué à l'étude de notre structure avec et sans couplage circuit. Le convertisseur statique, ainsi que la commande, sont également pris en compte pour l'étude du système complet. D'autre part, un modèle analytique non linéaire, utilisant la notion d'inductance saturée, est introduit pour effectuer la même étude. Les résultats, obtenus par les deux approches, sont comparés. Pour tenir compte des effets d'extrémités, une modélisation 3D a été effectuée en magnétostatique. Les inductances, qui prennent, d'une manière globale, les effets des têtes de bobines, sont alors approximées et introduites dans le modèle 2D. Ce dernier modèle est ensuite utilisé pour étudier le dispositif. Les résultats, issus des trois modèles sont comparés à des essais expérimentaux réalisés sur un prototype de MRV à l'université de Dresde en Allemagne. Enfin, dans le but d'améliorer la précision, nous avons utilisé une méthode analytique, couplée à chacun des trois modèles proposés, pour quantifier les pertes fer de la structure pour différents régimes de fonctionnement

L'étude porte sur la conception de chaînes de traction de véhicule électrique à moteur synchrone à aimant permanent suivant une approche systémique en considérant la chaîne dans sa globalité avec sa mission complète. Le plan normalisé des machines permet de dégager les grandeurs caractéristiques du fonctionnement. L'intérêt des machines à deux parts de rotor, offrant des degrés de libertés supplémentaires de conception pour élargir la gamme de vitesse est montré. Une modélisation intégrant les modèles de dimensionnement des différents sous systèmes de la chaîne est implantée sous SABER. Elle permet de simuler le fonctionnement sur des missions de circulations représentatives de longue durée. Ce modèle est exploité pour une conception simultanée des différents constituants grâce à une procédure d'optimisation par Algorithmes Génétiques permettant de traiter les variations continues de dimensions et les changements de structures au regard d'une évaluation des critères pertes et coûts.

Les machines électriques tournantes occupent une place prépondérante dans tous les secteurs industriels. Les machines synchrones à aimants permanents sont de plus en plus utilisées grâce à leur puissance massique élevée et en raison de la baisse du prix des aimants. Néanmoins, celles-ci subissent au cours de leur durée de vie un certain nombre de sollicitations externes ou internes qui peuvent les rendre défaillantes. C'est pourquoi le monde industriel est fortement intéressé par un ensemble de techniques permettant de déterminer l'état de santé de ces machines. La modélisation des machines synchrones pour la simulation de défauts statoriques s'insère dans ce contexte<br>Rotating electrical machines play a very important role in the world's industry. Among them, the permanent magnet synchronous machines are more and more used because of their high power to weight ratio, their great efficiency and the recent affordability of magnet materials. Permanent magnet synchronous machines are also more and more envisaged in high power applications ( railway applications for instance). In this context, these machines can be submitted to external and internal stresses, and degradation can occur in their electrical and mechanical parts. This is why industry is interested in adopting monitoring and diagnosis techniques to assess and evaluate condition of these machines. The modelling of surface-mounted permanent magnet synchronous machines with stator faults takes place in this context

Ce travail présente une modélisation rapide d’ordre élévé capable de modéliser une configuration rotorique en cage complète ou en grille, de reproduire les courants de barre et tenir compte des harmoniques d’espace. Le modèle utilise une approche combinée d’éléments finis avec les circuits-couplés. En effet, le calcul des inductances est réalisé avec les éléments finis, ce qui confère une précision avancée au modèle. Cette méthode offre un gain important en temps de calcul sur les éléments finis pour des simulations transitoires. Deux outils de simulation sont développés, un dans le domaine du temps pour des résolutions dynamiques et un autre dans le domaine des phaseurs dont une application sur des tests de réponse en fréquence à l’arrêt (SSFR) est également présentée. La méthode de construction du modèle est décrite en détail de même que la procédure de modélisation de la cage du rotor. Le modèle est validé par l’étude de machines synchrones: une machine de laboratoire de 5.4 KVA et un grand alternateur de 109 MVA dont les mesures expérimentales sont comparées aux résultats de simulation du modèle pour des essais tels que des tests à vide, des courts-circuits triphasés, biphasés et un test en charge.<br>This work presents a fast high-order model able to model a rotor configuration in full cage or grid, reproduce bar currents and consider the space harmonics. The model is based on a Combination of Finite Element method and Coupled Circuits. Indeed, the calculation of inductances is performed with magnetostatic finite element resolutions which gives to the model an advanced accuracy.This method offers a significant gain in computing time on finite element for transient simulations. Two simulation tools are developed, one in time domain for dynamic resolutions and another in phasor domain whose application on StandStill Frequency response (SSFR) is also presented. The model construction method is described in detail as well as the modeling procedure of the rotor circuit. The model is validated by the study of synchronous machines: a laboratory machine of 5.4 KVA and a large hydrogenerator of 109 MVA whose experimental measurements are compared to the model simulation results for tests such as no-load, three-phase and two-phase short circuit and also a load test.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L'utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l'actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l'actionneur à partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d'induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité de courant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d'optimisation de la machine. Des modèles adaptés au processus d'optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu'un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et les têtes de bobines. Ces résultats ont été corroborés par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantés dans une modélisation multi-physique pour l'outil d'optimisation et pour l'outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhicule hybride Kangoo où la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport à un dimensionnement établi par les règles de l'art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d’application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d’encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d’une machine à aimants et ceux d’une machine à excitation bobinée. Le choix d’un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d’analyse, d’optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l’art- un sur les machines synchrones à double excitation et l’autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu’une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s’effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l’efficacité de l’utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l’influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés<br>The electric and / or hybrid driveis are an application area growing with a strong restriction in terms of congestion. This prompted the designers to create appropriate structures. Among these topologies, we find the double-excitation synchronous machine (MSDE). These machines can combine the advantages of permanent magnets machine and those of a coils excited machine.The choice of a model for these machines is an important step in the analysis, optimization and pre-sizing. This thesis presents a contribution to the modeling by magnetic equivalent circuit (MEC) of single and double excitation synchronous machines. Three parties are offered as well. The first part of the thesis presents two states of the art: one on the double-excitation synchronous machines and the other on the modeling of electrical machines, mainly in the modeling by magnetic equivalent circuit. In the second part, we discuss the 2D modeling of flux concentration permanent magnet synchronous machine taking into account the rotation and saturation. The purpose of this section is to find ways to combine both computational time and accuracy. We start by using the magnetic equivalent circuit modeling based on a mesh of the structure and each mesh is replaced by two-way reluctances, then a torque estimation are obtened by two methods flux-FMM and Maxwell stress Tensor. The second section presents a coupling between magnetic equivalent circuit and finite element method. The proposed method is to solve the two models (reluctant and finite elements) simultaneously with software EF. The coupling is performed by an equivalence between the geometric dimensions and magnetic properties of materials. The presentation of different models in terms of time-accurate calculation shows the effectiveness of the use of MEC and coupling method compared to FEM. The third part concerns the three-dimensional modeling of double excitation synchronous machines. At first, we present an adaptation of the MEC to the three-dimensional structures. Then we apply this model to the double excitation synchronous machines (DESM). The DESM with flux concentration configuration is presented. To better control the wund flux of excitation, a buried magnet homopolar machine is also studied with the same approach. Model validation is performed by finite element and experimental measurements. In the last part, a comparison between homopolar and bipolar configurations is made, then the rotor flux concentration is optimized in order to compare it to the machine magnets buried

Les machines polyphasées offrent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues triphasées. Néanmoins, leur alimentation par onduleur de tension a montré qu'il fallait apporter un soin particulier à leur modélisation. Dans ce mémoire nous présentons un outil de modélisation des systèmes polyphasés, quel que soit le nombre de phases, basé sur une Représentation Energétique Macroscopique (REM) associée au formalisme vectoriel (extension de la théorie des vecteurs d'espace). Le formalisme, d'abord appliqué à la modélisation des machines polyphasées synchrones à aimants permanents, montre l'équivalence entre la machine réelle et un ensemble de machines mono et/ou diphasées fictives. Enfin, considérant l'ensemble convertisseur-machine comme un Système Multimachines Multiconvertisseurs (SMM), on déduit des structures de commandes originales de l'ensemble en fonctionnement normal comme dégradé (une ou plusieurs phases en défaut).

Les machines électriques synchrones à aimants permanents sont susceptibles de rencontrer un disfonctionnement suite à un échauffement non maîtrisé. L’objectif de cette étude est de développer un modèle thermique générique et prédictif pouvant simuler diverses situations d’intérêts: régime permanent, régime transitoire, mode dégradé, entrefer immergé, haute vitesse. Pour cela, la méthode nodale est utilisée pour développer le modèle thermique générique. En parallèle, un banc d’essai et un prototype sont conçus pour valider le modèle. L’étude de sensibilité des résultats du modèle à certains paramètres montrent que certains coefficients de convection, certaines conductances de contact et la conductivité thermique radiale du bobinage ont une influence considérable sur les résultats du modèle. Cependant ces paramètres sont mal connus, car ils sont issus des formules empiriques ou des abaques. Grâce au prototype et au modèle développé, ces paramètres sont identifiés. Trois méthodes d’identification sont testées pour aboutir à une stratégie d’identification: les algorithmes génétiques, la méthode de Gauss-Newton et la méthode de Levenberg-Marquardt. Plusieurs essais sont effectués sur le prototype instrumenté. La mesure des températures à des lieux précis du prototype permet d’identifier les paramètres mal connus et de valider le modèle<br>Permanent magnet synchronous machines are likely to break down due to poorly controlled heating. The goal of this study was to develop a generic and predictive thermal model to calculate the temperature of machines during the design phase simulating temperatures at various states. These states include: steady state, transient state, fault mode, axial circulating of a cooling fluid in the air-gap and high speed. The lumped parameter method was used to develop this generic thermal model. Meanwhile, a test bench and a prototype instrumented with thermocouples were manufactured to validate the model at the same time. Sensitivity studies of the results of the model to some parameters demonstrated that some convective coefficients, contact conductances and the thermal conductivity of the winding in the radial direction influenced the model. However, these parameters are poorly known, because empirical formulas or abacus are used to calculate them. Using, the prototype and the developed model, these parameters were identified. Three methods of identification were tested in order to find a strategy for the identification: the genetic algorithms method, the Gauss-Newton method and the Levenberg-Marquardt method. Many tests were done on the prototype. The measure of the temperatures on the specific place allows to identify these parameters and to validate the model

Cette thèse porte sur l'étude des machines synchrones à commutation de flux à aimants permanents et plus particulièrement sur le comportement magnétique, mécanique et acoustique de ces structures particulières. La finalité étant de réaliser une optimisation géométrique alliant rapidité et robustesse tout en prenant en compte ces critères multi-physiques sus-cités. Dans un premier temps, nous avons dressé une vue d'ensemble du fonctionnement de ces machines en présentant le principe de fonctionnement de la commutation de flux et en étudiant une structure penta-phasée 20/18. L'origine du bruit générée dans ces structures a ensuite été débattue avec une attention toute particulière pour les phénomènes magnétiques. Une exploration des différentes contraintes magnétiques ainsi qu'une analyse mécanique et vibratoire par simulations éléments finis et par mesures expérimentales a été réalisée. Dans un deuxième temps, un modèle multi-physique permettant d'estimer l'état magnétique, mécanique et acoustique de ces structures a été présenté. Le choix s'est porté sur une modélisation entièrement analytique devant la nécessité d'obtenir un modèle rapide. Les différents modèles ont été développés et validés soit par simulations éléments finis, soit par mesures expérimentales. Le modèle magnéto-statique a été réalisée par résolution formelle des équations de Maxwell de la magnéto-statique par développement en série de Fourier. Le modèle mécanique a consisté à calculer les modes et les fréquences propres d'ovalisations du stator par une approche énergétique appelé la méthode du quotient de Rayleigh. Le modèle vibratoire / acoustique a, quant à lui, été réalisé en résolvant les équations d'équilibre de la dynamique des poutres dans la base modale formée par les modes propres précédemment calculés. Enfin, dans un troisième et dernier temps, ce modèle a été appliqué dans le cadre d'une optimisation géométrique afin de maximiser le couple électromagnétique tout en minimisant la puissance acoustique rayonnée. Différentes structures de machines ont été abordées et des règles de construction "silencieuse" ont été proposées. L'influence de nombreux paramètres sur la génération de bruit a été étudiée. Ces optimisations ont été effectuées sur trois types de structures : une structure tri-phasée 12/10, une structure tétra-phasée 16/12 et enfin une structure penta-phasée 20/18. De plus elles ont été réalisées dans deux cas de figure : un cas dans lequel la machine est entraînée à vitesse fixe et un cas dans lequel la machine est entrainée à vitesse variable<br>This thesis deals with the study of Flux-Switching Permanent-Magnets, in particular on magnetic, mechanical and acoustic behavior of these structures. Firstly, origin of noise generated has been presented with particular attention to magnetic phenomena. Exploration of magnetic stresses, mechanical and vibration analysis have been performed by finite element simulations. Secondly, an analytical multi-physics model has been presented in order to estimate magnetic, mechanical and acoustic behavior. The different models have been validated by finite element simulations or by experimental measurements. Finally, this model has been applied in a geometric optimization loop to maximize electromagnetic torque and minimize acoustic noise generated. These optimizations have been performed on 3-phases 12/10, 4-phases 16/12 and 5-phases 20/18 at fixed and variable speed

Ce mémoire de thèse traite la problématique des émissions vibroacoustiques dès les premières phases de conception de machines électriques dans le but de mettre en œuvre des machines robustes, fiables et surtout efficientes répondant aux contraintes dans un large domaine d’applications et spécialement pour le véhicule électrique et hybride. Ce manuscrit ne s’intéresse pas seulement à l’identification et la mise en exergue de la problématique vibroacoustique mais surtout a apporté des solutions et des éléments de réponse à certaines contraintes. La problématique vibroacoustique étant trop vaste et trop complexe, ce travail de thèse se focalise sur les aspects vibroacoustiques d’origine électromagnétiques. Pour ce faire, les méthodes de réduction de bruit sont présentées mais seules les solutions de réduction passive sont évoquées. Ces solutions se basent sur le dimensionnement et la conception par optimisation de machines électriques performantes et moins bruyantes. Cela nous ramène au cœur de ce travail qui est le développement d’outils et de modèles multi-physique réunissant les critères de généricité, rapidité, précision et facilité de couplage. Dans ce cadre, plusieurs modèles électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques, et acoustiques sont présentés. Différentes stratégies de couplages et d’approches de modélisation sont investiguées. Des conclusions sont tirées à chaque fois en fonction des besoins pour le cas d’application<br>This PhD thesis deals with the issue of vibroacoustic emissions from the first design phases of electrical machines in order to have robust, reliable and above all efficient machines that meet the constraints in a wide range of applications and especially electrical vehicles. This manuscript is not only interested in the identification and highlighting the vibroacoustic problem, but above all to brought solutions and response elements to certain constraints. Knowing that the vibroacoustic problem is too vast and complex, this thesis focuses on vibroacoustic aspects of electromagnetic origin. To do so, the methods of noise reduction are presented but only the passive reduction solutions are used. These solutions are based on the design and optimization of efficient and less noisy electrical machines. This brings us back to the core of this work, which is the development of tools and multi-physics models combining the criteria of genericity, speed, accuracy and simplicity of coupling. In this context, several electric, magnetic, mechanical, thermal and acoustic models are presented. Different coupling strategies and modeling approaches are investigated. Conclusions are drawn each time according to the needs for the application use case