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Niveau: Supérieur
THESE Présentée Pour obtenir le titre DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique Par Yasser ALHASSOUN Etude et mise en œuvre de machines à aimantation induite fonctionnant à haute vitesse MM. Bernard TRANNOY Président Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et Electronique Industrielle de l'ENSEEHT Unité Mixte de Recherche CNRS N° 5828 N° d'ordre : 2224 Soutenue le 27 mais 2005 devant le jury composé de : Albert FOGIA Rapporteur Daniel MATT Rapporteur Bertrand NOGAREDE Directeur de thèse Mario MARTINEZ Examinateur Année 2005 Carole HENAUX Codirecteur
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THESE Présentée Pour obtenir le titre DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique Par Yasser ALHASSOUN Etude et mise en œuvre de machines à aimantation induite fonctionnant à haute vitesse MM. Bernard TRANNOY Président Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et Electronique Industrielle de l'ENSEEHT Unité Mixte de Recherche CNRS N° 5828 N° d'ordre : 2224 Soutenue le 27 mais 2005 devant le jury composé de : Albert FOGIA Rapporteur Daniel MATT Rapporteur Bertrand NOGAREDE Directeur de thèse Mario MARTINEZ Examinateur Année 2005 Carole HENAUX Codirecteur
- traite des points fragilisants de la machine
- composite
- matériaux
- points constitués des pertes fer
- supérieur d'electronique, d'electrotechnique, d'informatique, d'hydraulique et des télécommunications
- électrotechnique des machines électriques
- matériaux magnétiques
N° d’ordre : 2224
THESE
Présentée Pour obtenir le titre
Année 2005
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
Par
Yasser ALHASSOUN
Etude et mise en œuvre de machines à aimantation induite fonctionnant à haute vitesse
Soutenue le 27 mais 2005 devant le jury composé de :
MM. Bernard TRANNOY Président Albert FOGIA Rapporteur Daniel MATT Rapporteur Mario MARTINEZ Examinateur Bertrand NOGAREDE Directeur de thèse Carole HENAUX Codirecteur
Thèse préparée auLaboratoire d’Electrotechnique etElectroniqueIndustrielle de l’ENSEEHT Unité Mixte de Recherche CNRS N° 5828
Etude et mise en œuvre de machines à aimantation induite fonctionnant à haute vitesse Résumé Actuellement, les actionneurs électromécaniques sont caractérisés par un coût attractif et une faible maintenance. Dans ce contexte, face à des concepts de machines et des processus de fabrication conventionnels maintenant optimisés, l’avènement de nouveaux matériaux magnétiques composites englobant les poudres magnétiques douces peut constituer un bras de levier majeur en matière d’innovation technologique. Leurs processus de fabrication ainsi que leurs caractéristiques magnétiques et mécaniques permettent en effet l’émergence d’actionneurs attractifs autant en terme de coût qu’en terme de performances. Le propos de l’étude consiste dans ce contexte à évaluer le potentiel des ces nouveaux matériaux magnétiques au sein d’une structure de machine tournante conventionnelle. Dans cette optique, conscient des enjeux que sont susceptibles de représenter ces matériaux notamment dans la recherche de la minimisation des pertes fer au sein d’un actionneur, la machine de référence choisie est la machine à réluctance variable destinée à une application haute vitesse. Le mémoire de thèse s’articule autour de quatre chapitres. Le premier chapitre dresse un bilan des différents types d’interactions magnétiques exploitables au sein des actionneurs électromagnétiques dont on énonce les principales structures associées. Un état de l’art des matériaux ferromagnétiques est ensuite développé afin d’évaluer de prime abord les atouts des matériaux composites face aux matériaux classiques laminés. L’exploitation de ces matériaux sera justifiée dans une application haute vitesse au sein d’une structure de machine à aimantation induite que l’on présente sous ses diverses formes. Conformément à la structure de référence choisie, le deuxième chapitre est consacré à la modélisation de la machine à aimantation induite par résolution analytique des équations du champ en deux dimensions. Cette modélisation doit permettre de disposer d’équations analytiques de dimensionnement directement exploitables au sein d’un processus d’optimisation globale développé au laboratoire. Le troisième chapitre présente les quatre prototypes de machines à réluctance variable qui mixent l’exploitation des matériaux laminés et des poudres magnétiques composites. Ces prototypes sont ensuite caractérisés en mode statique puis en mode dynamique sur des bancs d’essais spécifiques. Il est alors possible de dresser un premier bilan comparatif des performances développées par les matériaux utilisés au sein de structures opérationnelles. Afin de préciser le comportement des poudres magnétiques sous conditions sévères, le quatrième chapitre traite des points fragilisants de la machine à réluctance variable fonctionnant à haute vitesse, points constitués des pertes fer, de son échauffement et de sa tenue mécanique. Nous concluons cette thèse en insistant d’une part sur les efforts menés en terme de modélisation analytique des machines à aimantation induite en vue de leur dimensionnement. D’autre part, exploités au sein de cette même structure, les matériaux magnétiques composites font l’objet d’une étude approfondie afin d’évaluer quantitativement leur apport par rapport à des matériaux laminés. Mots clefs
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Machine à aimantation induite Matériaux magnétiques composites Calcul analytique de champ Haute vitesse
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Study and implementation high speed operating of induced magnetization machines Abstract Actually, electromechanical machines are characterized by their low cost and reduced maintenance. Therefore, new types of magnetic materials such as soft magnetic composites (SMC), have to be considered not only for multiple applications (small motors for automotive) for cost reduction, but also when considering other special requirements such as high speed drive (aircraft and space applications). Our report of thesis is articulated around four chapters: The first chapter show the various types of magnetic interactions used in the electromagnetic actuators. The second chapter is devoted to the modelling of the induced magnetic machines by analytical resolution of equations of the field in two dimensions. The third chapter presents the four configurations prototypes of switched reluctance machine which mix the exploitation of laminated materials and the soft magnetic powders. The fourth chapter discusses the critical conditionsof this machines operating at high speed.We conclude, insisting on the efforts carried out in term of analytical modelling of the induced magnetization machines for their dimensions and exploited in this same structure, the soft magnetic composite materials. The results show the potential of soft magnetic powders when considering in particular the high frequency losses and their ability to favour the heat dissipation in this structure.Keywords •Induced magnetization machines •Analytical calculation of magnetic field •Soft magnetic composites •High speed operating
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REMERCIEMENTS Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été conduits au sein du groupe de recherche en électrodynamique (EM3) duLaboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse (LEEI) de l’Ecole Nationale Supérieur d’Electronique, d’Electrotechnique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications (ENSEEIHT). Je remercie donc Monsieur Yvon CHERON, Directeur du LEEI, de m’avoir accueilli au sein de ce Laboratoire et permis de travailler dans d’excellentes conditions. Les développements réalisés ont été encadrés par : -Le Professeur Bertrand NOGAREDE, Responsable du groupe recherche en électrodynamique (EM3), surtout pour ce qui concerne la partie modélisation analytique et généralement pour les autres pistes de mes recherches. J’ai pu pleinement bénéficier de sa grande expérience scientifique dans ce domaine. Je le considère dans le domaine l’électrotechnique des machines électriques et modélisation analytique comme une encyclopédie. Je lui remercie pour ses conseils et sa gentillesse qui me entouré. -Madame Carole HENAUX, Maître de Conférence, pour ce qui concerne la machine à réluctance variable et son alimentation, et d’autre part elle était la responsable directe pendant toutes ces années de cette recherche. Il ne faut pas oublier son aide pendant la rédaction de ce mémoire, je la remercie de mon tout cœur. J’adresse mes sincères remerciements aux membres du Jury qui ont bien voulu examiner mon travail : - Monsieur Albert FOGGIA, Professeur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble pour l’intérêt qu’il a porté à nos travaux ainsi que pour l’honneur qu’il nous a fait en acceptant la charge de rapporteur. - Monsieur Daniel MATT, Maître de conférence HDR de laboratoire d’Electronique de Montpellier II (LEM), qui nous a fait l’honneur de participer à notre jury ainsi que pour l’intérêt qu’il a montré pour nos travaux en acceptant la tache de rapporteur. - Monsieur Bernard TRANNOY, Professeur Emérite, qui m’a fait l’honneur d’examiner notre travail. - Monsieur Mario MARTINEZ, Ingénieur au service Recherche et Développement de la société AUXILLEC, pour avoir accepté d’être membre de jury.
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Mes remerciements s’adressent aussi tout particulièrement aux autres personnes qui m’ont soutenue et qui furent toujours à notre égard d’une disponibilité: - Monsieur Yvan LEVEVRE, chargé de recherche au CNRS, pour tous les renseignements apportés. - Monsieur Jean-François ROUCHON, maître de conférence au sein groupe (EM3), pour son aide concernant le logiciel laboView. -Monsieur Dominique HARRIBEY, Ingénieur d’Etude CNRS au sein du group (EM3), pour son aide au cours du développement des maquettes de mesure. -Monsieur Lauric DUHAYON, Maître de Conférence du groupe (EM3), pour son encouragement permanent. -; Lauric, Matthieu Alexie, Ayaze,L’ensemble des thésards du LEEI, je cite d’eux Houssem , Yousuf, Samer, Ali ….. Enfin, je tiens à remercier ma famille en Syrie. Mes parents, pour leur soutien et leur encouragement illimité durant ces longues années d’études. Je voudrais leur témoigner ma profonde reconnaissance. Je remercie aussi les membres de ma famille, mon épouse Ieman, mes enfants Amgad, Aiaa et Ashraf. Yasser ALHASSOUN Le 28/03/2005
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Table des matières
TABLE DES MATIERES Pages Introduction générale...................................................................................... …5CHAPITRE 1 :Les machines à aimantation induite : des concepts de base aux matériaux constitutifs I. Conversion d’énergie électromécanique par interaction de champs magnétiques..................................................................................................... ..10 I.1. Les différentes procèdes d’interaction………………………………….10 I.2. Interaction de sources produites type courant…………………………..11 I.2.1. Machine synchrone à inducteur bobiné...12 I.2.2. Machine à courant continu..............13 I.3. Interaction de sources produites et induites…………………………….16 I.4. Interaction de sources produites type aimantation et courant…………..18 I.5. Interaction de sources de types aimantation et courant produit………...20 I.6. Synthèse et perspectives………………………………………………..22II. Matériaux lamines ou matériaux composites.......................................... ..25 II.1. Matériaux ferromagnétiques lamines et ses alliages……………….......26 II.1.1. Alliage fer silicium..26 II.1.2. Fer - Nickel ................................................................................................ ..29 II.1.3. Fer- Cobalt ................................................................................................ ..30 II.1.4. Synthèse..31 II.2. Matériaux magnétiques composites doux …………………………......32 II.2.1. Constitution des poudres magnétiques douces..33 II.2.2. Caractéristiques des SMC.37 II.2.3. Exemple quantitatif.40 II.2.4. Conclusion42 III. Machine à aimantation induite................................................................ ..43 ..43III.1 Introduction ........................................................................................ III.2.Exploitation d’une anisotropie d’ordre géométrique…………………44 III.3. Exploitation d’une anisotropie d’ordre magnétique…………………45 VI. Conclusion du chapitre…………………………………………………...461
Table des matières
CHAPITRE 2 :Modélisation analytique des machines à aimantation induite I. Introduction................................................................................................. ..51II. Etat de l’art des modèles analytiques de la machine à réluctance variable ........................................................................................................................... ..34II.1. Modèle analytique linéaire .................................................................................... ..52 II.2. Modèle magnétique par schéma électrique équivalent (réluctances)……………...55 II.3. Modèle numérique par élément finis ..................................................................... ..57 III. Modélisation analytique de la machine à aimantation induite............ .58.58III.1. Principe de la modélisation et hypothèses de travail........................ ..................................................................... .III.1.1 Source de champ statorique 59 ................................................................................... .III.1.2 Aimantation induite 60 III.2. Equation du potentiel vecteur ........................................................... .60 III.3. Méthode de résolution ...................................................................... .62 III.4. Résolution de l’équation générale par le théorème de suerposition .62 III.4.1 Champ crée dans une cavité par une couche de courants superficiels...62 III.4.2Expression du potentiel A dans une cavité comportant un noyau ferromagnétique polarisé..62 III.4.3 Synthèse70 III.5. Calcul du flux dans l’entrefer et la f.e.m aux bornes des enroulements statoriques ................................................................................. .73 III.5.1. Calcul de lenthalpie73 III.6. Calcul du flux embrassé par la bobine statorique…………………...75 III.7. Calcul du couple électromagnétique développé…………………….76 VI. Résultat et Validation............................................................................... .78 IV.1. Validation sur une structure tétrapolaire…………………………....78 IV.1.1. Identification des susceptibilités magnétiques équivalentes79 IV.1.2.Valeurs des susceptibilités magnétiques équivalents sur une structure à quatre plots rotoriques.80 IV.1.3. Validation sur le couple électromagnétique.80 IV.1. Validation sur une structure octopolaire…………………………......81 IV.1.1. Identification des susceptibilités magnétiques équivalentes.82 IV.1.3. Validation sur le couple électromagnétique.82 IV.1. Validation sur une structure spécifique…………………………........83 VI. Conclusion du chapitre............................................................................. .85
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Table des matières
CHAPITRE 3 :Caractérisation des prototypes développés en modes statique et dynamique I. Introduction.................................................................................................. 89II. Dimensionnement des prototypes............................................................ 90II.1. Structure de référence et matériaux constitutifs ................................. 90 II.2. Dimensionnement des prototypes .................................................. 91 II.2.1. Elément de dimensionnement de la machine..92 II.2.2. Dimensionnement de lenveloppe.93 II.2.3. Calcul des dimensions internes.93 II.2.4. Synthèse du dimensionnement...96 II.3.Calcul de la masse des parties actives des prototypes réalisés............ 97 III. Etude des prototypes en mode statique.................................................. 97 III.1. Caractérisation du prototype « tout poudre »………………………98III.1.1. Niveaux du champ magnétique dans le prototype............................... 98 III.1.2. Simulation et mesure de linductance dune phase............................. 98 III.1.3.M................................................................... 100esure du couple statique III.1.4. Caractérisation de la machine en régime linéaire et régime saturé... 101 III.1.5.Comparaison avec le modèle analytique ............................................. 102 III.2. Caractérisation du prototype en tôles ………………………103III.2.1. Niveaux du champ magnétique dans le prototype............................... 103 III.2.2. Simulation et mesure de linductance dune phase............................. 104 III.2.3. mesure du couple statique ................................................................... 105 III.3. Comparaison générale des quatre configurations… ……………..106III.2.1. Comparaison des inductances propres...............106 III.2.2. Comparaison expérimentale du couple statique...107 III.2.3. Comparaison expérimentale du couple statique du régime linéaire au régime saturé ...109 III.4. Conclusion …………………………………………………………111 IV. Etude des prototypes en mode dynamique……………………………112 IV.1 Présentation du banc de mesure ........................................................ 112 IV.2 Caractérisation des prototypes fonctionnant en moteur……………112 IV.4.2.1. Caractérisation Couple- Vitesse........................................................... 114 IV.4.2.1. Caractérisation Rendement- Vitesse .................................................... 117 IV.4.2.1. Caractérisation Couple- Courant......................................................... 118 IV.4.2.1. Caractérisation Facteur de puissance Puissance utile ..................... 119 IV.3 Etude caractéristique des prototypes (1) et (2) en mode générateur.121 3
Table des matières
IV.3.1. Introduction ................................................................................................... 121 IV.3.2. Stratégie dalimentation ................................................................................ 121 IV.3.2. Détermination des forces électromotrices..................................................... 123 IV.3.2. Mesures des grandeurs électriques en mode générateur.124V. Conclusion………………………………………………………………..126CHAPITRE 4 :Caractérisation thermique, mécanique et pertes I. Introduction................................................................................................. 131II. Détermination des pertes fer et des pertes Joule..................................... 132 II.1. Introduction........................................................................................ 132 II.2. Modèle des pertes fer pour les circuits magnétiques en tôles ........... 132 II.2.1. Exemple de prédétermination des coefficients Kh1, Kh2,αp133 II.2.2 Analyse de la variation de linductance dans les différentes parties de la machine.135 II.2.3. Pertes fer pour une alimentation contrôlée en courant..136 II.2.4. Pertes fer pour une alimentation par convertisseur avec des tensions en Créneaux138 II.2.5. Influence de lépaisseur des tôles sur les pertes fer.139 II.2.6. Validation du modèle analytique des pertes fer....140 II.3.Modèle des pertes fer pour les circuits magnétiques en poudre……140 II.3.11 Comparaison des pertes fer sur les quatre prototypes développés.143 II.4.Mesure des pertes fer ………………………………………….……144 II.4.1. Essais statiques.144 II.4.2. Mesure en dynamique...147 III. Etude thermique....................................................................................... 149 III.1. Essais statiques ................................................................................. 149 III .2. Essais en dynamique ....................................................................... 150IV. Etude du comportement mécanique de la machine............................... 151 IV.1. Introduction…………………………………………………………151 IV.2. Etude de la tenue mécanique à haute vitesse……………………….152 IV.3. Etude vibratoire …………………………………………………….154 IV.3.1 Banc dessais..155 V. Conclusion................................................................................................... 157 Conclusion générale…………………………………………………………………159 Annexes…………………………………………………………………………….........165 Bibliographie………………………………………………………………..211
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Introduction générale Les principes physiques de conversion électromécanique de l’énergie dans le champ électromagnétique, et les concepts de machines opérationnelles qui en découlent, sont établis depuis plus d’un siècle. Pourtant, depuis l’avènement du collecteur électromécanique bientôt supplanté par le commutateur électronique, le domaine des machines et actionneurs électromécaniques a connu au cours des dernières décennies un progrès technologique régulier, ouvrant la voie à l’ère du « tout électrique ». Sous la poussée de domaines d’applications tels que l’aéronautique, l’espace ou le secteur de l’armement, cette course technologique semble vivre aujourd’hui une accélération significative visant d’une part, à la recherche de nouvelles fonctionnalités (actionneurs électromécaniques, électromécanismes à haute intégration fonctionnelle…) et d’autre part à l’augmentation des performances (rendement de conversion, effort, puissance massiques…). Face à ce dernier aspect, compte tenu des limitations intrinsèques à l’interaction électromagnétique en terme de pression d’entrefer équivalente (nécessairement inférieure à 1MPa pour un dispositif non supraconducteur), l’augmentation de la fréquence de fonctionnement constitue une voie privilégiée pour accroître de manière significative la puissance convertie dans un volume donné. Cette augmentation est tributaire des techniques d’alimentation électronique d’une part, ainsi que des progrès accomplis dans le domaine des matériaux constitutifs du convertisseur électromécanique d’autre part. Si les matériaux ferromagnétiques utilisés en électrotechnique sont classiquement mis en oeuvre sous forme de pièces feuilletées obtenues par empilement de tôles isolées à base d’alliages ferreux, une alternative a vu le jour avec la mise au point des matériaux composites doux obtenus par
pressage et moulage de poudres de fer à grains isolés. L’objet de la présente thèse vise précisément à évaluer l’enjeu de cette nouvelle filière technologique dans le contexte de machines tournantes à haute vitesse, de faible et moyenne puissances (de 1 à 100kW). En vue de procéder à une étude comparative privilégiant l’aspect « fonctionnel », en complément d’approches considérant plus spécifiquement le matériau et ses propriétés intrinsèques, le travail présenté s’est focalisé sur l’étude d’une structure de machine particulière déclinée selon plusieurs variantes utilisant divers types de matériaux. Compte tenu des conditions relativement sévères qu’elle induit au plan magnétique, le
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