Caractérisation des matériaux magnétiques et modélisation des pertes fer dans le stator des machines électriques fonctionnant à haute fréquence

Characterisation of magnetic materials and losses computation in stator yoke of electrical machine operating at high frequency

• Auteur / Autrice : Alexandre Giraud
• Direction : Yvan Lefèvre, Jean-François Llibre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Nelson Sadowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Lefèvre, Jean-François Llibre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Matt, Afef Kedous-Lebouc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines électriques

Ferrites (matériaux magnétiques)

Aéronefs

Mots clés libres

Pertes fer

Matériaux magnétiques

Machines électriques

Iron loss

Magnetic materials

Electric machines

Résumé

Le travail proposé est le résultat d’une collaboration entre le Laboratoire Laplace et l’IRT SaintExupéry. Il s’inscrit dans un projet visant à améliorer l’intégration des systèmes électriques afin d’électrifier les aéronefs. Le développement de l’énergie électrique à bord des aéronefs a de nombreux avantages : gain de masse, optimisation facilitée, … Plus précisément, c’est l’utilisation des machines électriques qui est ici étudiée. Actionneur, compresseur, beaucoup de système utilisant des énergies non-électriques peuvent être remplacés par des machines électriques. Comme dans tout système de conversion d’énergie, des pertes sont présentes et ce sont les pertes magnétiques, appelées perte fer, qui sont au cœur de cette thèse. Le réseau électrique avion, ainsi que les dispositifs de commande de ces machines, induisent une large augmentation de la proportion des pertes fer par rapport aux autres pertes. Les rendements diminuent et c’est surtout leur prédiction qui pose problème : les machines électriques sont surdimensionnées par sécurité, elles deviennent moins efficaces et le gain en masse est réduit. C’est pourquoi il est indispensable d’une part de comprendre le comportement des matériaux magnétiques utilisés dans les machines électriques dans des conditions non-idéales : il s’agit de la caractérisation des matériaux magnétiques. D’autre part, il est nécessaire d’améliorer les modèles de pertes fer afin de rendre leur prédiction efficace et optimiser le dimensionnement des machines électriques. Plus leur prédiction sera précise, plus les facteurs d’influence sur les pertes seront déterminés. Il sera alors possible d’envisager une optimisation plus globale de la chaîne électromécanique. Cette thèse est une première étape vers cette intégration globale. La caractérisation des matériaux fut faite sous diverses conditions. Tout d’abord, des champs magnétiques B unidimensionnels ont été étudiés. L’influence de leur spectre sur les pertes fer était au cœur de cette caractérisation : influence de l’amplitude ou de la fréquence dans le cas de champs sinusoïdaux, puis de la fréquence et de la phase d’harmoniques dans le cas de spectre plus complexes. Les pertes fer sont très sensibles à ces paramètres, ils sont donc à prendre en compte dans le dimensionnement des machines électriques. La modélisation des pertes proposée ensuite passe par une reconstitution du cycle d’hystérésis. Il s’agit donc de prédire le champ B à partir du champ H. Basée sur le modèle Play, la modélisation quasi-statique scalaire développée a montré sa précision et sa prédictibilité. Cependant, étant scalaire et quasi-statique, ce modèle ne fonctionne pas en fréquence. Un modèle analytique de courants de Foucault ainsi que des propositions de dynamisation ont été développés. Le modèle de courants de Foucault permettrait de tenir compte des effets de fréquence et donc de compléter le modèle quasi-statique.

The work proposed here took place in IRT Saint-Exupéry in collaboration with Laplace Laboratory. It is part of a project aiming for the integration of electrical systems improvement in order to electrify aircraft. The development of electrical energy aboard aircraft has many advantages: mass gain, optimization facilitated... More precisely, the using of electrical machines is studied here. Actuator, compressor, a lot of system using non-electric energies can be changed for electrical machines. As in any energy conversion system, losses cannot be avoided and especially iron losses, which are the main topic of this thesis. The airplane electrical networks, as well as electrical machine control devices, induce a large increase in iron loss proportion compared to other losses. Yields are diminishing but iron loss prediction is the main issue: electrical machines are oversized for safety, become less efficient and the mass gain is reduced. That is why the understanding of the behavior, or characterization, of magnetic materials used in electrical machines under non-ideal conditions is essential. On the other hand, it is necessary to improve the iron loss models in order to make their prediction efficient and to optimize the electrical machine modeling. The more precise their prediction, the more the factors influencing the losses will be determined. It will then be possible to envisage a more global optimization of the electromechanical chain. This thesis is a first step towards this global integration. The magnetic material characterization was done under various conditions. First, one-dimensional flux density B have been studied. The influence of their spectrum on iron losses was the major purpose of this characterization: amplitude or frequency influence in the case of sinusoidal fields and then harmonic frequency or harmonic phase influence for more complex spectrum. Iron losses are very sensitive to these parameters. Then, the proposed loss modelling goes through a reconstruction of the hysteresis cycle. Therefore, it consists in predicting B from the H field. Based on Play model, this scalar quasi-static modelling has shown its accuracy and predictability. However, being scalar and quasi-static prevent the model from any time-dependence. An analytical model of eddy currents and a dynamization proposal has been developed. With an eddy current model, frequency effects would be taken into account and thus would complete the quasi-static model.