Academic literature on the topic 'Moteurs à aimants permanents – Modèles mathématiques'

Le travail effectué ici a consisté à étudier, et modéliser deux nouvelles structures de moteurs synchrones à aimants, et faire une étude paramétrique en vue de leur optimisation. Ces moteurs doivent être adaptées à une production fortement automatisée et respecter des contraintes de coût, de bruit et d'encombrement, ce sont: - Le moteur synchrone diphasé à griffes au stator et à aimant permanent au rotor; - Le moteur hybride à stator dissymétrique et rotor à griffes. La première partie a pour objectif de justifier le choix des structures possibles à modéliser. La deuxième partie décrivant la géométrie des moteurs étudiés montre par l'exemple les limites des méthodes numériques habituelles dans le cas des machines fortement tridimensionnelles et l'intérêt et la précision des modèles basés sur la méthode des réseaux de perméances. La troisième partie est consacrée au calcul des performances et à "l'optimisation" des deux moteurs fondée sur la minimisation du taux d'ondulation du couple. La dernière partie montre l'influence des imprécisions de fabrication et des défauts de montage sur les performances de la machine à griffes au stator, notamment l'effet du décentrement sur les caractéristiques du moteur.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016
Ce mémoire porte sur le développement d’une modélisation thermique avec des modèles analytiques, pour la conception de machines électriques. Il concerne plus particulièrement les structures de machines cylindriques à aimants permanents. Nous discutons ensuite du modèle thermique complet de type circuit thermique qui a été réalisé et confronté à des résultats expérimentaux. Ce modèle a une très bonne précision et il nous a permis d’étudier l’effet de différentes variations topologiques sur le comportement thermique ainsi que différentes stratégies de refroidissement. Ce modèle peut facilement être intégré dans un processus d’optimisation. En nous basant sur les mêmes principes, nous avons proposé un nouveau modèle à résistances thermiques combinées pour modéliser les échanges thermiques entre les conducteurs dans les encoches. Ce modèle permet d’apprécier le caractère aléatoire de la disposition des conducteurs dans la bobine et peut être jumelé à un modèle plus global.
This thesis focuses on the development of a thermal modeling with analytical models for the design of electrical machines. It concerns more particularly cylindrical machine with permanent magnets. The methods used to determine the critical parameters of thermal modeling are presented first. We then present the complete thermal model that has been developed and confronted with experimental results. This model has very good accuracy and has allowed us to study the effect of different topological variations on the thermal behavior. It was also possible to analyze and compare different cooling strategies. This model can easily be integrated into an optimization process to determine the maximum permissible losses of a given configuration, or to define the cooling method to use. Based on the same principles, we proposed a new model to simulate the thermal exchanges between the conductors in the slots. This model allows us to appreciate the randomness of the arrangement of the conductors in the coil. It can be paired with a more comprehensive model of the machine in order to refine the resolution of the latter and ensure a more accurate analysis of the thermal behavior of the coils.

La conception d'un microsystème de conversion d'énergie éolienne représente le cœur de cette étude. L'attention est dérivée vers le générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, avec la configuration de rotor externe et des tensions électromotrices de forme trapézoïdale. L'objectif global de la thèse est représentée par la tentative de déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur qui donne les plus faibles pertes totales dans le système, en fonctionnant sous un cycle du vent à long terme et ainsi en augmentant l'efficacité globale du système. En avance à l'optimisation, un modèle de simulation adapté doit être développé en termes de précision des résultats et du temps de simulation. Cela se fait dans la première partie de la thèse en déterminant le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, la réduction du temps de simulation a été étudiée dans la troisième et la quatrième partie de la thèse, en développant une méthode appropriée qui permet l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent lors la détermination de la totalité des pertes de puissance du système. Par la suite, la méthode d'optimisation est présentée, même les résultats optimaux obtenus, ainsi que la comparaison de plusieurs paramètres d'entrée / sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un générateur de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle électronique
The design of a micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The attention is derived towards the brushless DC permanent magnet generator with outer rotor configuration and trapezoidal induced back-EMF voltages. The global aim of the thesis is represented by the attempt of determining the optimal geometrical and electrical design parameters of the BLDCPM generator that give the minimum total power losses in the system, over long-term wind speed cycle operation and thereby increasing the efficiency of the overall system. In advance to the optimization, an adapted simulation model needs to be developed in terms of results accuracy and simulation time. This is done in the first part of the thesis by determining the modeling level, as well as the design variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process, the reduction of the simulation time has been investigated in the third and fourth part of the thesis by developing a suitable method that allows the integration and exploitation of the available data from the wind-speed profile when determining the totality of the power losses in the system. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control technique

Ce travail de recherche présente la mise au point d’une méthodologie de conception par optimisation globale des machines synchrones sans encoches à aimants permanents à haute vitesse utilisant des matériaux magnétiques composites doux (SMC) au stator et des frettes au rotor éventuellement conductrices. Cette méthodologie tient compte des différentes contraintes imposées par la haute vitesse, notamment les courants de Foucault induits dans les pièces massives, les pertes, l’alimentation en commutation électronique et les efforts mécaniques sur le rotor. Un outil de dimensionnement générique est développé pour différentes structures de machines sans encoches fonctionnant en moteur ou en générateur et alimentées par divers types de  convertisseurs statiques à commutation de tension ou de courant. Il utilise un modèle de dimensionnement analytique basé sur la prédiction du champ magnétique 2D par une résolution harmonique des équations de Maxwell en magnétodynamique en tenant compte des courants de Foucault induits dans les parties conductrices. Ce modèle intègre un modèle électrique équivalent global de l’ensemble convertisseur-machine et un modèle détaillé de calcul des pertes validés par un calcul numérique du champ en 2D. Une validation expérimentale des pertes magnétiques dans le stator en SMC est effectuée. Le modèle de dimensionnement est associé à une procédure d’optimisation et à un mécanisme de correction itératif, basé sur le calcul numérique du champ en 3D, pour tenir compte des effets de bord sur les pertes par courants de Foucault dans le stator. Lorsque la machine est couplée à un convertisseur à commutation de courant, un autre mécanisme de correction, permettant la résolution du couplage fort entre la machine et son convertisseur, est utilisé. Les différents outils de modélisation et de conception réalisés sont utilisés pour dimensionner et comparer plusieurs topologies de machines sans encoches pour des cahiers des charges spécifiques. Différentes études de faisabilité et de sensibilité sont aussi effectuées.
This research work presents the development of a design methodology with global optimization of high-speed permanent-magnet slotless synchronous machines using soft magnetic composite materials (SMC) in the stator and retaining sleeves in the rotor that can be conductive. This methodology takes into account the different constraints imposed by the high speed such as the eddy currents induced in the massive parts, the losses, the converter-machine interactions and the mechanical stress in rotor. A generic design tool is developed for different slotless machines structures used as motors or generators and coupled to different kind of static power converters with voltage or current commutation. It uses a design model based on analytical prediction of the two-dimensional magnetic field by a harmonic resolution of Maxwell equations taking into account the eddy currents induced in the conductive parts. This model includes an equivalent electric model of the converter-machine system and a detailed losses calculation model validated by 2D finite element analysis. Experimental validation of magnetic losses in the SMC stator is also performed. The design model is associated to an optimization procedure and an iterative correction mechanism performed by 3D finite element simulations to take into account the influence of end-effects on the SMC stator eddy current losses. When the machine is coupled to a current static converter, another correction mechanism is used in order to resolve the strong coupling between the machine and its converter. The developed modeling and design tools are used to design and compare different slotless machines topologies for specific requirements. Various feasibility and sensitivity studies are also performed.

L'analyse du cahier des charges montre la nécessité d'obtenir un moteur à faibles ondulations de couple. Cette caractéristique est recherchée selon deux voies, par action sur la structure du moteur et par la commande. Concernant le dimensionnement, un modèle analytique et un modèle thermique ont été développés. La minimisation des ondulations de couple et la caractérisation électromagnétique sont menées par calcul des champs. Une structure à nombre fractionnaire avec un bobinage original est proposée. La réalisation d'un prototype a permis de valider le dimensionnement. Concernant la commande, des modèles de simulation sont développés. Des structures d'observateurs de couple sont comparées. Un filtre de Kalman associé à un observateur de couple est développé permettant la supression du capteur de position tout en réduisant les ondulations de couple. Une commande modale et une structure RST associées à un observateur de couple sont implantées sur un banc mécanique conçu et instrumenté.

Cette étude cofinancée par la société RENAULT et le CNRS porte sur la conception d'un actionneur à aimants permanents pour assistance de direction automobile. L'analyse du cahier des charges montre la nécessité d'obtenir un moteur à très faibles ondulations de couple. La réduction des ondulations de couple est traitée de deux façons : une première action consiste à concevoir la structure du moteur et une seconde à compenser les ondulations de couple par une loi de la commande adéquate. Concernant le dimensionnement du moteur, une étude du système mécanique a permis d'expliciter le lien entre la raideur du capteur de couple intégré à la colonne de direction et l'inertie du moteur ramenée au volant. Cette contrainte inertielle associée à une température ambiante élevée constituent des points forts du dimensionnement pour un encombrement donné. Il est montré que le choix d'un capteur de couple à raideur élevée permet de réduire ces contraintes de dimensionnement en réduisant la contrainte inertielle. Un modèle électromagnétique analytique et un modèle thermique couplés ont été développés et exploités suivant une méthodologie définie par la spécificité du cahier des charges. L'étude des différentes techniques de minimisation des ondulations de couple et la caractérisation électromagnétique ont été menées par calcul des champs avec FLUX2D(tm). Une solution basée sur une structure à nombre fractionnaire d'encoche par pôle et par phase et un bobinage original est proposée. La réalisation d'un prototype et les essais réalisés ont permis de valider certains aspects de ce dimensionnement. Concernant la minimisation des ondulations de couple par la commande, des modèles de simulation sous Simulink intégrant les ondulations de couple définis à partir des calculs de champs ont été développés. Différentes structures d'observateurs de couple avec prise en compte des ondulations de couple sont présentées et comparées. Une structure originale basée sur un filtre de Kalman associé à un observateur de couple de type Luenberger est mise à jour. Cette structure permet un autopilotage sans capteur de position tout en réduisant fortement les ondulations de couple. Une loi de commande par retour d'état et une structure RST associées à un observateur de couple ont été implantées sur un banc mécanique conçu et instrumenté dans le but de reproduire le fonctionnement du système de direction assistée électrique.

Dans de nombreuses applications du génie électrique, les machines à commutation mécanique constituent encore à ce jour une solution pertinente à l'implantation d'un actionneur électromécanique. Leur grande fiabilité et leur coût de fabrication relativement limité restent des avantages indéniables malgré les progrès récents de l'électronique. Ceci justifie les recherches actuelles sur ces machines. Le démarreur automobile, dispositif permettant l'entraînement du moteur thermique, doit répondre à un cahier des charges statique et dynamique exigeant. Ces travaux présentent l'étude des machines électriques mises en oeuvre dans les démarreurs. Deux méthodologies de modélisation y sont présentées. La première consiste à résoudre les équations qui régissent le comportement des circuits électriques équivalents aux différentes topologies de la machine. Elle permet de ressortir les évolutions temporelles de toutes les grandeurs électriques et magnétiques de la machine. La seconde, plus rapide, reprend la théorie de la modélisation des machines synchrones par vecteurs d'espace. Une généralisation de cette théorie à la machine à courant continu a été élaborée. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont permis d'enrichir ces modèles et de mener une séparation des pertes sur deux appareils de la gamme des démarreurs à aimants : le FS18 et le FS20. Un nouveau principe nommé VIVA a été élaboré permettant une hausse du rendement des machines. Des validations expérimentales ont permis la vérification des modèles et la validation des concepts
In many applications of electrical engineering, DC machines with mechanical commutator are a relevant solut ion to the implementation of an electromechanical actuator. Their high reliability and manufacturing costs remain relatively low despite the undeniable benefits of recent advances in electronics. This justifies the current research on these machines. In such a context, the starter motor must meet static and dynamic specifications. These works present the study of electrical machines used in the starters. Two modeling methodologies are presented. The first one consists in solving the equations governing the behavior of equivalent electrical circuits for different topologies of the machine. It can show the temporal evolutions of ail the electrical and magnetic quantities of the machine. The second one, farter, uses the theory of modeling of synchronous machines by space vector. A generalization of this theory to the DC machine has been developed. Several experimental devices have served to enhance these models and carry out a separation of two starter losses : the FS18 and FS20. A new principle called VIVA has been developed to increase the performance of the machine. Experimental validation led to the model verification and validation concepts

Pour les entraînements à vitesse variable, la machine électrique n'étant plus directement couplée au réseau triphasé, le choix du nombre de phases peut être reconsidéré. On s'intéresse dans la thèse à la conception d'entraînements comportant des machines synchrones à aimants permanents à pôles lisses et non saturées mais à plus de trois phases. L'objectif est d'examiner simultanément les contraintes liées à la machine et à l'ensemble onduleur de tension/commande dans le but de réaliser un ensemble polyphasé performant. Les travaux développés dans cette étude explorent la possibilité spécifique des machines polyphasées de posséder des harmoniques spatiaux de force magnétomotrice et de force électromotrice tout en présentant des couples pulsatoires de très faible amplitude tant en mode normal que dégradé avec une ou deux phases non alimentées. Dans le chapitre II, pour une structure de bobinage imposée, nous examinons lors de la conception d'une machine à 7 phases à flux axial à double rotor l'effet d'une modulation des forces électromotrices en jouant sur la nature et la distribution des aimants permanents sur les rotors. Dans le chapitre III, une comparaison entre résultats expérimentaux et résultats obtenus par approches analytique et numérique (calcul 3D) est effectuée. Elle permet de valider l'approche analytique multi-harmoniques et met en exergue l'apport du calcul numérique. Dans le chapitre IV, une structure de commande est élaborée par inversion causale et une commande vectorielle est décrite et implantée expérimentalement pour un fonctionnement en mode normal ou dégradé.

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
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