Conception de Machines Electriques non conventionnelles

Présentation

L'équipe travaille sur le développement, la modélisation et l'optimisation de dispositifs innovants de conversion électromécanique. Les dispositifs recherchés nécessitent de forts couples massiques (ou volumiques) pour des applications à attaque directe ou semi directe, ou de fortes puissances massiques (machines rapides).

Pour ce faire, les machinistes du laboratoire IREENA ont acquis des compétences en modélisation des phénomènes électromagnétiques, thermiques et mécanique que ce soit avec des outils analytiques ou numériques 2D et 3D.

Machines à attaque directe

Dans les applications nécessitant des couples massiques élevés, on a souvent recours à des réducteurs mécaniques de vitesse ou à des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques. Ces systèmes présentent des inconvénients liés notamment à la gestion des fluides et surtout à leur maintenance. Le remplacement partiel ou total de ces dispositifs par des actionneurs électriques est de plus en plus envisagé dans différentes applications comme celles embarquées (véhicules, avions, ....) ou celles liées à la production d'énergies renouvelables (éoliennes, hydroliennes).

Les systèmes électromécaniques classiques souffrent de limites physiques liées essentiellement aux matériaux utilisés. Nous nous sommes donc intéressés à des convertisseurs électromécaniques qui peuvent développer des couples massiques plus importants tout en tenant compte des fortes contraintes spécifiques (masse, encombrement, fiabilité, rendement...). Deux machines, l'une à couplage dentaire et l'autre à couplage harmonique sont étudiées.

Machine à couplage dentaire : DSPM

Cette machine innovante est développée au laboratoire. Elle comporte une excitation par aimants permanents au stator et des plots dentés, ce qui implique un rotor passif et un stator aisé à bobiner et à refroidir.

Les travaux sur cette machine se sont d'abord focalisés sur l'optimisation de son couple massique seul, puis en tenant compte du ratio d'énergie. Ce rapport a été introduit car à l'image du facteur de puissance, il permet d'intégrer la taille du convertisseur de puissance dans le dimensionnement et l'optimisation de la machine.

Cette machine est fortement saturée et sa modélisation externe nécessite le calcul précis de ses paramètres. Des méthodes originales de détermination des inductances en régime saturé sont alors étudiées.

De par sa structure, la réaction d'induit de cette machine est importante. Une étude simplifiée de sa commande a permis de montrer son intérêt en régime MPPT et surtout en régime de défluxage.

En collaboration avec l'équipe MEE, des modèles spécifiques à la DSPM sont développés en vue de la commande. Des formes de courant quasi-sinusoïdales ont été proposées dans l'optique de réduire les ondulations de couple, problème récurrent à ce type de machine.

Un prototype de 2kW conçu au laboratoire dans le cadre du projet hydrol 44 sera livré courant 2015-2016.

Stator du prototype DSPMDSPM assemblée


Machines à couplage harmonique

Ces machines à bobinage dentaire permettent le couplage des champs sur un rang harmonique donné, augmentant ainsi le nombre de pôles apparents tout en gardant un nombre d'encoches statoriques restreint. Ce bobinage conduit à des têtes de bobines très courtes, ce qui permet de réduire les pertes joules tout en augmentant le coefficient de remplissage. Néanmoins, comme la périodicité du motif de bobinage se fait sur plusieurs pôles au lieu d'un seul, des sous harmoniques tournants à des vitesses plus grandes que celle de l'harmonique de travail apparaissent, et comme le niveau des autres harmoniques augmente, les pertes rotoriques peuvent devenir importantes.

Nous nous sommes particulièrement intéressés à la détermination de bobinages qui minimisent le contenu harmonique de la force magnétomotrice de la machine. Deux méthodes sont proposées.

La première est basée sur l'utilisation d'un algorithme génétique couplé à un modèle analytique de la FMM du bobinage statorique pour optimiser les paramètres intrinsèques du bobinage et ainsi réduire le contenu harmonique de la FMM.

La deuxième méthode est basée sur l'utilisation d'un système de deux bobinages déphasés spatialement et temporellement. Ce système peut ainsi diminuer, voire éliminer, un ou des harmoniques ou sous-harmoniques donnés. Notons que cet avantage peut être obtenu sans affecter le coefficient de bobinage.

Des modèles magnéto-thermiques, analytiques et numériques (éléments finis), sont développés et utilisés pour dimensionner et optimiser des machines à aimants permanents utilisant des bobinages obtenues par les 2 méthodes.

Stator à 2 Bobinages triphasés décalés de 30° électrique

Machines Rapides synchrones à aimants permanents

Les machines rapides par leur capacité à atteindre de fortes puissances volumiques et de hauts rendements font l'objet actuellement de nombreuses recherches suscitées par un nombre d'applications en augmentation constante (véhicules automobiles, stockage électromécanique, machines-outils...).

Dans ce contexte, le laboratoire travaille au développement de modèles spécifiques (pertes magnétiques, thermique et mécanique) pour le dimensionnement et à l'élaboration d'une méthodologie permettant de résoudre le problème de l'optimisation sur cycle. Sur la base de ces travaux, un banc d'essais (30 000 tr/min, 20 kW), associant deux machines synchrones à aimants permanents montés en surface, a été réalisé et expérimenté.

L'augmentation des vitesses et des fréquences conduit naturellement à des pertes magnétiques significatives dont la connaissance est indispensable au dimensionnement des machines. Les aimants permanents peuvent être notamment le siège de pertes anormalement élevées si les modèles sont trop simplistes. Nous avons donc établi une modélisation des pertes magnétiques dans les aimants basée sur une approche harmonique. Cette modélisation, tout en restant analytique donc adaptée à un travail d'optimisation, permet de prendre en compte les effets de peau (azimutalement et radialement). Une étude des transferts thermiques, spécifique aux machines rapides et couplée aux résultats d'optimisation (volume réduit, pertes magnétiques élevées...) a permis d'élaborer un modèle « réduit » de calcul d'échauffement.

Parallèlement aux travaux de modélisation, nous avons mis au point une méthode permettant de résoudre le problème de l'optimisation sur cycle des machines à aimants permanents à faible réaction d'induit. Généralement, ce problème est résolu numériquement et en ne considérant que quelques points de fonctionnement significatifs sur le cycle ce qui ne permet pas d'optimiser le bilan énergétique. Nos travaux, tout en considérant le cycle dans son ensemble, permettent de résoudre ce problème par une démarche purement analytique. Outre, un temps de calcul réduit, le résultat obtenu nous permet de définir objectivement des critères de dimensionnement tels que le choix du nombre de paires de pôles, le choix optimum des matériaux magnétiques...

Enfin, un banc d'essais (30 000 tr/min, 20 kW) dimensionné sur la base de ces travaux de modélisation et d'optimisation a été réalisé.

Machine rapide 30 000 tr/min

Outils

Eléments Finis-2D (magnétique et thermique), Algorithmes d'optimisation (Génétique et PSO), Méthodologie de dimensionnement sur cycle pour machines synchrones rapides, Modèles analytiques pour le dimensionnement des machines.

Réalisations

Banc d'essai machine rapide, Banc d'essai pour machine lente pour hydrolienne, Système à inertie variable.

Partenariats

Industriels : ECA-En, FDM Pneumat, Airbus, Défontaine SA.,

Projets : Hydrole44

Mots Clefs

 DSPM, couplage harmoniques, optimisation sur cycle