Etude et réalisation d'une machine électrique à forte densité de couple et fort rapport de sur-couple pour des applications de traction automobile

Study and realization of an electric machine with high torque density and high transient torque capability for automotive applications

• Auteur / Autrice : Raouf Benlamine
• Direction : Christophe Espanet, Sid-Ali Randi, Frédéric Dubas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/07/2015
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Régie nationale des usines Renault. Technocentre
• Jury : Président / Présidente : Daniel Matt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Espanet, Sid-Ali Randi, Frédéric Dubas, Daniel Matt, Éric Semail, Carole Hénaux, Christian Chillet, Philippe Viarouge
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Semail, Carole Hénaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Traction

Automobiles -- Moteurs

Véhicules électriques hybrides

Mots clés libres

Aimants enterrés

Circuits équivalents magnétiques

Contrôle optimal

Effet de saturation

Flux axial

Optimisation multicritère

Pertes par courants de Foucault

Buried PM

Magnetic equivalent circuit

Optimal control

Saturation effect

Axial-flux

Multi-objective optimization

Eddy-current losses

Résumé

Le contexte sociétal et environnemental en France et en Europe durant ces dernières années est largement favorable à l’électrification des moyens de transports, principalement les véhicules, afin de réduire les émissions de CO2. Les pouvoirs publics déploient d’importants efforts afin de rendre les véhicules électrifiés plus accessibles aux citoyens, en octroyant des primes conséquentes lors de l’achat de véhicules « propres ». De leur côté, les constructeurs automobiles cherchent à diminuer le coût des véhicules électriques et hybrides en proposant des solutions techniques pouvant réduire le coût de fabrication des organes, principalement les batteries, les moteurs thermiques et électriques, tout en assurant des performances élevés. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier et de réaliser une machine électrique répondant à un cahier des charges très contraignant en termes d’encombrement axial et de densité de couple pour une application comme moteur de traction d’un véhicule hybride. De plus, cette machine doit être innovante, robuste et dont le procédé de fabrication est automatisable et à faible coût. Ainsi, un état de l’art élargi sur les différentes machines électriques a été effectué. En fonction des exigences liées à notre application, une machine à flux axial à aimants permanents enterrés à bobinage concentrique a été choisie.Initialement, un modèle analytique simplifié a été établi et couplé à un outil d’optimisation. Les paramètres géométriques et électriques obtenus ont été alors réajustés en utilisant un modèle numérique basé sur les éléments finis 3D. Différentes modifications ont été apportées à cette machine initiale en raison de l’évolution du cahier des charges des performances et des contraintes géométriques. Les grandeurs électromagnétiques telles que le couple et la puissance ont été analysées pour différents points de fonctionnement. Les pertes dans les aimants permanents ont été calculées en développant un modèle numérique hybride basé sur les différences finies 3D, réduisant ainsi le temps de calcul comparativement aux éléments finis 3D. Afin de valider les différents résultats obtenus, un prototype de la machine a été réalisé. Cette machine a également été modélisée en utilisant les Circuits Equivalents Magnétiques quasi-3D. Ce modèle semi-analytique est générique par rapport aux dimensions géométriques et électriques, avec une discrétisation adaptative. De plus, les effets de denture et de saturation sont pris en compte. Les inductions magnétiques, les flux magnétiques et le couple électromagnétique ont pu être obtenus avec ce modèle, en assurant une bonne précision et un temps de calcul réduit comparativement aux éléments finis 3D.

The societal and environmental context in France and Europe during the last few years has been largely favorable to the electrification of transportation means, mainly vehicles, in order to reduce CO2 emissions. The authorities are working hard to make the electrified vehicles more affordable, by providing substantial premiums during the purchase of “clean” vehicles. For their part, the automakers are looking to reduce the cost of electric and hybrid electric vehicles by offering technical solutions that can reduce the manufacturing cost of the car components, mainly batteries, thermal and electric motors, while ensuring high performances. The main objective of this thesis is to study and realize an electric machine, which satisfies very restrictive specifications in terms of axial size and torque density in order to be used as a traction motor for a hybrid electric vehicle. In addition, this machine must be innovative, with a high reliability, low cost and automated manufacturing process. Thus, a state of art about the various electric machines has been achieved. Depending on the requirements of our application, an axial flux machine with buried permanent magnets and concentrated winding has been selected. Initially, a simplified analytical model has been developed and coupled to an optimization tool. The obtained geometrical and electrical parameters have been adjusted using a numerical model based on the 3D finite element. Various modifications have been applied to the initial machine due to the modification of the geometrical and performance specifications. Electromagnetic performances such as torque and power have been analyzed for various operating points. Losses in the permanent magnets have been calculated using a hybrid numerical 3D model based on the finite difference and finite element, which allows to reduce the computation time compared to transient 3D finite element. In order to validate the different results, a prototype of the machine has been realized. This machine has also been modeled using a quasi-3D magnetic equivalent circuits. This semi-analytical model is generic regarding the geometrical and electrical parameters, with an adaptive discretization. Furthermore, the saturation and the slotting effects have been taken into account. The magnetic flux density, the flux linkage and the electromagnetic torque have been calculated with this model, ensuring high accuracy and reduced time computation compared to 3D finite element.