Estimation des pertes fer dans les machines électriques : modèles d'hysteresis Loss Surface et application aux machines synchrones à aimants

Iron Losses prediction in electrical motors : Loss Surface hysteresis model and application to synchronous permanent magnet machines.

• Auteur / Autrice : Thierry Gautreau
• Direction : Afef Kedous-Lebouc, Thierry Chevalier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble ; 1980-2006)
• Jury : Président / Présidente : Albert Foggia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Amiet, Marc Dewulf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Masson, Francis Piriou

Résumé

Suite aux directives européennes incitant les constructeurs de moteurs électriques à supprimer de leur offre, les moteurs à faible rendement, une politique de conception de moteurs à haut rendement est engagée. Toutefois, l'évaluation préalable, en simulation, de ce paramètre, et notamment des pertes fer de la machine reste aujourd'hui un problème difficile. Dans cette optique, depuis quelques années, un modèle, nommé " Loss Surface ", de calcul a posteriori des pertes fer sous le logiciel éléments finis Flux2DTM a été développé. Au cours de ce travail, plusieurs améliorations sont apportées à ce modèle LS. Un nouveau banc de caractérisation à partir d'un onduleur de tension performant a permis de prolonger en fréquence la surface dynamique LS. Une nouvelle formulation de l'identification de la contribution dynamique, plus simple, a également été réalisée. Au final, les gains apportés sont conséquents. Deux machines synchrones à aimants aux caractéristiques très différentes ont ensuite été utilisées pour évaluer les améliorations sur des structures complexes. La première machine, nous a permis de tester l'impact du niveau d'induction sur l'évolution des pertes fer, et la seconde machine, l'influence de la fréquence. Deux phénomènes physiques importants ont également été étudiés afin de connaître leurs contributions aux pertes d'origine magnétique : les pertes par courants induits dans un matériau massif tel qu'un aimant, et l'effet sur les propriétés magnétiques des contraintes mécaniques induites par le poinçonnage du circuit magnétique.

Following European directives inciting electrical motors manufacturers to replace engines with poor efficiency in the near future, a high efficiency motor design policy was committed. However, the preliminary evaluation, in Finite Element Method (FEM) simulation, of the efficiency, and in particular the iron losses in the machine remains a difficult problem nowadays. An iron losses a posteriori calculation module, named " Loss Surface ", for the finite element software Flux2DTM has been developed since several years. This work proposes several improvements of LS dynamical model. A new magnetic characterization by perform inverter has permitted to increase the frequency data for the dynamical surface LS. A new formulation of dynamic contribution identification has also been achieved. Finally, the gains are consistent. Two different synchronous permanent magnet motors have been tested to evaluate the LS improvements on complex structures. The first machine is used to test the effect of induction level on iron losses evolution and the second, the frequency impact. Two physical phenomenon are as weil as studied in order to know theirs contributions on magnetic losses : the eddy-current distribution in the magnet bulk, and the influence of punching stress on magnetic mate rial proprieties.