Soutenance mémoire
Soucieuse de proposer des solutions de mobilité innovantes et plus respectueuses de l’environnement, l’industrie automobile se mobilise de plus en plus afin de trouver des solutions à l’échelle mondiale qui agissent pour le climat. En 2015, c’est autour de la COP21 à Paris que les nations sont unies sur les changements climatiques. C’est une échéance cruciale puisqu’elle doit aboutir à un nouvel accord international sur le climat, applicable à tous, afin de maintenir le réchauffement climatique en-deçà de 2°C. La première conférence mondiale sur le climat remonte à 1979. A cette occasion les négociations climatiques internationales ont affirmé l’existence d’un dérèglement climatique et elles ont confirmé la responsabilité humaine dans ce phénomène. Depuis cette reconnaissance, l’objectif était de stabiliser les concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre à un niveau qui empêche toute perturbation humaine dangereuse du système climatique. Des solutions ont été ainsi mises en lumière permettant de limiter les émissions de gaz à effet de serre, parmi lesquelles, la promotion du véhicule électrique, qui était bien présente tout au long de ces diverses manifestations.
Outre la question du réchauffement climatique, un vrai problème s’installe, celui de l’épuisement de l’énergie fossile. Rien qu’à l’échelle européenne, un marché d’automobile toujours en croissance ; d’environ 12 millions de véhicules neufs par an, dominé à plus de 99 % par des véhicules à moteur thermique. De ce fait, ces 12 millions de véhicules, vont consommer du pétrole au moins jusqu’en 2030. Pour assurer cette consommation, 60 millions de barils de pétrole par an devront être mis à disposition [112]. Face à cette alerte, seuls les constructeurs automobiles, auraient l’opportunité de se réinventer en exploitant les potentiels humains et technologiques considérables de ces nouvelles filières industrielles : l’automobile propre 100% électrique en considérant une origine renouvelable de la production de l’électricité.
Notion et Intérêt des machines rapides
Depuis deux décennies, l’orientation vers les machines à haute vitesse a pris un tournant décisif. En 1995, Reichert et Pasquerella [1] ont établi des formules analytiques reliant le diamètre rotorique à la vitesse de rotation tout en prenant en considération certaines limitations: 1) la vitesse périphérique ; 2) la tenue mécanique du rotor ; 3) l’échauffement du rotor ; 4) la puissance volumique. Ainsi, ils ont conclu que pour des basses vitesses (< 9 ktr/min) et hautes puissances (< 30 MW), l’alimentation des machines synchrones avec un onduleur de courant procure de meilleures performances (la commande en couple est plus simple à implémenter). Néanmoins, pour les hautes vitesses (< 100 ktr/min) et faibles puissances (< 2 MW), les machines à induction alimentées par un onduleur de tension présentent les meilleures solutions. Les machines à aimants permanents ont été choisies pour s’adapter aux applications hautes et faibles vitesses en jouant sur les deux commandes. En 1998, l’architecture avec les aimants en surface a été développée en adoptant la notion de la pression magnétique tangentielle et sa limite en fonction de la vitesse.
Machines envisageables
Plusieurs architectures sont candidates pour fonctionner à haute vitesse. La robustesse, le rendement et la compacité sont les critères déterminants afin de bien dimensionner et optimiser les machines rapides. Dans la littérature, les machines asynchrones (MAS), les machines à aimants permanents (MAP), les machines à reluctance variable (MRV) et les machines homopolaires ont été sollicitées et largement répandues dans les applications hautes vitesses.
Machine asynchrone
Le rotor de la machine asynchrone « rapide » peut être rainuré ou massif constitué de tôles ferromagnétiques et de barres conductrices régulièrement réparties à la périphérie appelé rotor à cage. Avec une telle machine, il est possible d’atteindre des vitesses périphériques de l’ordre de 400 m.s-1 [11]. En effet, lorsqu’on rainure le rotor par exemple, les performances électromagnétiques sont nettement améliorées bien que la résistance soit nettement diminuée. Les courants induits ont tendance à toujours circuler sur les extrémités ce qui permet, non seulement d’augmenter la surface de passage du flux mais aussi augmenter le niveau de température [12] contrairement aux machines à aimants qui sont limitées par la température de Curie des aimants permanents (ex : Ferrites : 300°, NdFeB : 310° [54]). Par ailleurs, la machine asynchrone à cage peut atteindre des vitesses périphériques importantes grâce à un système de renforcement qui, suite à la conductivité élevée des barres, permet d’augmenter le facteur de puissance (~0.7) et par conséquent les rendements. Caprio [13] a abordé une étude thermique et mécanique en particulier sur les barres dédiée à une application de stockage d’énergie d’un navire par volant d’inertie (2MW-15000 tr/min). Il a montré l’avantage du renforcement pour atteindre une vitesse périphérique de l’ordre de 280 m/s. Néanmoins, cette machine à l’inconvénient de générer des harmoniques de courant importants d’où des pertes supplémentaires. Récemment, Patzak et Gerling [14] ont abordé cet aspect en se référant aux travaux de [15] pour dimensionner un alterno-démarreur d’un véhicule hybride qui fournit un couple de démarrage assez élevé (150 N.m) et une puissance de plus de 10 kW dans un volume de 24 l en utilisant un bobinage concentrique au stator. De plus en plus, les chercheurs visent à atteindre des vitesses très hautes et donc utiliser des rotors robustes, c’est pour cela plusieurs études s’orientent vers la modélisation multiphysiques (mécaniques, thermiques, vibro-acoustiques) et la comparer avec d’autres structures comme dans..
Machine à reluctance variable
La simplicité de construction, le faible coût et la possibilité d’opérer dans des conditions environnementales ardues (température ambiante de 400°), amènent les chercheurs à construire et à tester la machine à reluctance variable dans des applications hautes vitesses, en particulier, dans l’aéronautique [19] et l’automobile [20] . Son principe de fonctionnement est basé sur la création du couple par la variation de réluctance, vue par la bobine de la phase alimentée allant d’une position minimale à une position maximale par le biais de la variation de l’entrefer réalisé dû à la saillance de la partie mobile et/ou la partie fixe.
Une analyse comparative entre une nouvelle machine à reluctance variable conçue par Liu et Zhu (Figure 1-2(b)) et une machine à aimants permanents utilisée dans la Toyota/Prius 2010 (Figure 1-2(a)) a été récemment publiée [21]. D’abord, [22] a comparé une machine à reluctance variable classique (MRV) avec une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) pour une application de véhicules électriques ou hybrides, il a montré que 80% du couple massique d’une MSAP peut être fournie avec une MRV de même longueur axiale et même rayon statorique. Cependant, l’ondulation du couple et le bruit acoustique restent les points bloquants pour une telle structure. L’intérêt de la machine à réluctance de flux variable (MRFV (Figure 1-2(b))) est de remédier au problème de l’ondulation du couple en associant une combinaison différente de pôles stator/rotor afin d’avoir un flux et une force magnétomotrice sinusoïdaux. De plus, il a montré que la MRFV produit plus de puissance au moment de défluxage par rapport à la MSAP. Sur le cycle NEDC, si la Prius utilisait la MRFV, le rendement global sur cycle diminuerait de 4,6%. Toutefois, la robustesse de la structure, le faible coût de maintenance pourraient attirer les industries.
Machine à aimants permanents
Les machines à aimants permanents sont largement utilisées dans des applications à haute vitesse, les auteurs ont abordé plusieurs aspects de cette structure attractive grâce aux atouts principaux de la grande puissance massique, le bon facteur de puissance et l’excellent rendement. Néanmoins, la construction du rotor avec des aimants permanents engendre des difficultés particulières au niveau mécanique : les forces centrifuges qui sont appliquées directement sur les aimants risquent d’arracher ces derniers. Sur le plan thermique où l’échauffement dû aux pertes harmoniques (provenant de la pulsation du flux et les harmoniques du courant) peuvent démagnétiser les aimants [24]. Le bruit acoustique et les vibrations d’origine électromagnétique (Forces de Maxwell) ont été aussi abordés dans [23]. Différentes structures à aimants sont envisageables dont les principales sont : les aimants en surface (Figure 1-3(a)), les aimants à concentration de flux (Figure 1-3(b)) et les aimants enterrés.
Les aimants déposés en surface nécessitent en particulier une frette de maintien amagnétique pour éviter leur décollage. Des stratégies de calcul concernant la limite mécanique de dimensionnement ont été établies dans [27] en les comparant avec les aimants enterrés pour une même application haute vitesse (48000 tr/min, 40 kW). Les auteurs ont montré que le choix s’est tourné vers les aimants en surface avec une frette en fibre de carbone qui procure une rigidité plus élevée et donc une vitesse maximale plus élevée.
Concernant les structures à aimants enterrés, la conception demeure plus compliquée compte tenu de la difficulté à insérer les aimants. De plus, les ondulations de couple sont plus importantes vis à vis de la machine à aimants en surface. Cependant, elle présente l’avantage de l’ajout d’un couple réluctant au couple d’interaction entre les aimants et les enroulements statoriques ce qui permet une meilleure performance en couple surtout lorsqu’il s’agit d’un fonctionnement à basse vitesse et à puissance constante. Un autre atout de la machine à aimants enterrés peut être décrit en s’appuyant sur les travaux de Bettaieb ; les pertes harmoniques dues aux courants de Foucault dans les aimants enterrés sont plus faibles comparées à celles dans les aimants en surface. Il a montré que les pertes sont moins élevées dans le cas des aimants enterrés pour une même fréquence. Ceci est vérifié quel que soit le nombre des découpes axiales (suivant l’axe z) qui ont été effectuées. Il a aussi évoqué une zone d’anomalie qui se manifeste quand l’effet de peau est bien présent ce qui explique l’augmentation des pertes lorsque le nombre de segments est faible.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Problématique de la haute vitesse
1.1 Introduction
1.2 Notion et Intérêt des machines rapides
1.3 Machines envisageables
1.3.1 Machine asynchrone
1.3.2 Machine à reluctance variable
1.3.3 Machine à aimants permanents
1.3.4 Machine homopolaire
1.4 Synthèse des différentes machines
1.5 Limitations et contraintes de la haute vitesse
1.5.1 Tenue mécanique
1.5.2 Tenue thermique
1.5.3 Contraintes technologiques
1.5.4 Performances limites
1.6 Notions de dimensionnement optimal
1.6.1 Optimisation du dimensionnement
1.6.2 Les algorithmes d’optimisation
1.7 Conclusion
1.8 Objectifs – Verrous de la thèse
Chapitre II : Contribution au dimensionnement optimal de machines synchrones à aimants
2.1 Introduction
2.2 Choix des topologies
2.3 Modélisation simplifiée de la machine
2.3.1 Analyse électromagnétique
2.3.2 Analyse des pertes
2.3.3 Autres modèles
2.4 Méthodologie du dimensionnement optimal : 1er Dimensionnement
2.4.1 Calcul des dimensions statoriques
2.4.2 Calcul des dimensions rotoriques
2.5 Méthodologie de comparaison
2.5.1 Problème d’optimisation bi-objectif
2.5.2 Résultats d’optimisation
2.6 Bilan
2.7 Machine à aimants en V et à bobinages dentaires
2.7.1 Introduction
2.7.2 Simulation et validation par EF
2.8 Machine à aimant en V et à bobinages à épingles
2.8.1 Aimants en bas
2.8.2 Aimants en haut
2.9 Conclusion
Chapitre III : Modélisation fine de la machine retenue
3.1 Introduction
3.2 Modélisation mécanique
3.2.1 Introduction
3.2.2 Hypothèse d’étude
3.2.3 Expression de la contrainte d’un anneau circulaire
3.2.4 Expression de la contrainte pour notre rotor à aimants
3.2.5 Validation du modèle analytique
3.2.6 Exemple de validation sur une autre topologie du rotor
3.2.7 Conclusion sur la modélisation mécanique
3.3 Modélisation électromagnétique par schéma reluctant
3.3.1 Présentation du problème
3.3.2 Méthode de résolution du système
3.3.3 Validation par EF
3.3.4 Conclusion sur le modèle magnétostatique
3.4 Courant du court-circuit
3.4.1 Introduction
3.4.2 Modèle de Park avec prise en compte des pertes Joules
3.4.3 Modèle non linéaire avec la méthode de Newton Raphson
3.4.4 Conclusion sur le modèle du calcul de courant de court circuit
3.5 Limite de désaimantation
3.6 Type de la commande : en Courant ou en Tension
3.6.1 Positionnement du problème
3.6.2 Commande en courant sinus
3.6.3 Commande en créneau de tension
3.6.4 Conclusion sur la commande
3.7 Modélisation des pertes onduleur
3.7.1 Introduction
3.7.2 Pertes par conduction
3.7.3 Pertes par commutation
3.7.4 Elaboration des modèles en fonction du courant calibre des interrupteurs
3.8 Modélisation fine des pertes électromagnétiques
3.8.1 Pertes Joules avec pertes supplémentaires
3.8.2 Caractérisation des coefficients des pertes fer
3.8.3 Conclusion sur le calcul des pertes
3.9 Modélisation thermique
3.9.1 Introduction
3.9.2 Modèle nodal de la machine étudiée
3.9.3 Comparaison d’un exemple d’application avec les éléments finis
3.9.4 Conclusion sur le modèle thermique
3.10 Bilan
Conclusion générale
