Modélisation et caractérisation thermique de machines électriques synchrones à aimants permanents

Thermal modelling of permanent magnet synchronous machine

• Auteur / Autrice : Gilles Romuald Guedia Guemo
• Direction : Patrice Chantrenne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergetique
• Date : Soutenance le 27/02/2014
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Guy Friedrich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Chantrenne, Guy Friedrich, Yacine Amara, Yves Bertin, Julien Jac, Martin Raynaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yacine Amara, Yves Bertin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines synchrones

Modèles mathématiques

Thermique

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Energétique

Machine synchrone à aimants permanents

Modélisation thermique

Comportement thermique

Méthode nodale

Conduction thermique

Convection

Transfert radiatif

Energetics

Permanent Magnet Synchronous Machine

Thermal Behaviour

Lumped parameter method

Convection

Thermal conduction

Radiative transfer

Résumé

Les machines électriques synchrones à aimants permanents sont susceptibles de rencontrer un disfonctionnement suite à un échauffement non maîtrisé. L’objectif de cette étude est de développer un modèle thermique générique et prédictif pouvant simuler diverses situations d’intérêts: régime permanent, régime transitoire, mode dégradé, entrefer immergé, haute vitesse. Pour cela, la méthode nodale est utilisée pour développer le modèle thermique générique. En parallèle, un banc d’essai et un prototype sont conçus pour valider le modèle. L’étude de sensibilité des résultats du modèle à certains paramètres montrent que certains coefficients de convection, certaines conductances de contact et la conductivité thermique radiale du bobinage ont une influence considérable sur les résultats du modèle. Cependant ces paramètres sont mal connus, car ils sont issus des formules empiriques ou des abaques. Grâce au prototype et au modèle développé, ces paramètres sont identifiés. Trois méthodes d’identification sont testées pour aboutir à une stratégie d’identification: les algorithmes génétiques, la méthode de Gauss-Newton et la méthode de Levenberg-Marquardt. Plusieurs essais sont effectués sur le prototype instrumenté. La mesure des températures à des lieux précis du prototype permet d’identifier les paramètres mal connus et de valider le modèle.

Permanent magnet synchronous machines are likely to break down due to poorly controlled heating. The goal of this study was to develop a generic and predictive thermal model to calculate the temperature of machines during the design phase simulating temperatures at various states. These states include: steady state, transient state, fault mode, axial circulating of a cooling fluid in the air-gap and high speed. The lumped parameter method was used to develop this generic thermal model. Meanwhile, a test bench and a prototype instrumented with thermocouples were manufactured to validate the model at the same time. Sensitivity studies of the results of the model to some parameters demonstrated that some convective coefficients, contact conductances and the thermal conductivity of the winding in the radial direction influenced the model. However, these parameters are poorly known, because empirical formulas or abacus are used to calculate them. Using, the prototype and the developed model, these parameters were identified. Three methods of identification were tested in order to find a strategy for the identification: the genetic algorithms method, the Gauss-Newton method and the Levenberg-Marquardt method. Many tests were done on the prototype. The measure of the temperatures on the specific place allows to identify these parameters and to validate the model.