Contribution à la prise en compte des aspects thermiques des machines électriques dans un environnement mécatronique

Contribution to taking into consideration thermal aspects of electric machines in mechatronics environment

• Auteur / Autrice : Bassel Assaad
• Direction : Khadija El Kadri Benkara, Guy Friedrich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Logiciels

Simulation par ordinateur

Optimisation mathématique

Surfaces de réponse (statistique)

Monte-Carlo, Méthode de

Sensibilité, Théorie de la (mathématiques)

Essais (technologie)

Plan d'expérience

Aimants permanents

Commande automatique

Alternateurs

Machines synchrones

Modèles mathématiques

Thermique

Mécatronique

Conception et construction

Machines électriques

Mots clés libres

Conception des machines électriques

Alterno-démarreur intégré

Machines synchrones à aimants permanents internes

Modélisation thermique

Méthode nodale

Essais expérimentaux

Analyse de sensibilité locale

Réduction des modèles thermiques

Commande d'une machine électrique

Logiciel de simulation multi-domaines

Apprentissage de la modélisation pour l'étude des systèmes industriels mécatroniques (AMESim)

Design of electric machines

Integrated starter-generator

Internal permanent magnets synchronous machine

Thermal parameters

Lumped parameter thermal network method

Experimental tests

Local sensitivity analysis

Design of experiments

Monte-Carlo method

Response surface methodology

Mechatronics systems

Control of electric machines

Modeling and analysis of multi-domain systems

AMESim

Résumé

Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet.

Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis techniques are carried out in order to, first, identify the significance of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we propose two optimization algorithm-based identification methodologies in order to calibrate results of the thermal network with measured temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based integrated starter-generator machine. The calibrated model is then integrated in a mechatronics system consisting of an electric model of the electric machine, along with its control strategy and the power converter. This final study allows us to evaluate the impact of the machine temperature rise on the mechatronic system.