Moteur à flux axial à aimants permanents et à concentration de flux : réalisation, mesure de paramètres statiques et modèle numérique 3D

Spoke-type axial flux permanent magnet motor : realization, static parameter measurement and 3D numerical modeling

• Auteur / Autrice : André Mrad
• Direction : Yvan Lefèvre, Jean-François Llibre, Mohamad Abed Al Rahman Arnaout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 24/10/2022
• 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 : Stéphane Clénet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Lefèvre, Jean-François Llibre, Mohamad Abed Al Rahman Arnaout, Stéphane Clénet, Carole Hénaux, Jean-Frédéric Charpentier, Jérôme Cros, Nelson Sadowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Hénaux, Jean-Frédéric Charpentier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Terres rares

Thèses et écrits académiques

Moteurs électriques

Mots clés libres

Machines à flux axial

Dimensionnement analytique

Modélisation numérique tridimensionnelle

Concentration du flux magnétique dans l’entrefer

Champ magnétique à vide

Champ de réaction d’induit

Applications dans les transports

Mesure des paramètres statiques

Axial flux machines

Analytical sizing

Three-dimensional numerical modeling

Spoke-Type motors Airgap magnetic flux concentration

Open-circuit magnetic field

Armature reaction field

Transportation applications

Static parameters measurement

Résumé

L'énergie renouvelable ou les sources à zéro émission de carbone jouent un rôle de premier plan dans l'électrification mondiale. Le domaine des machines électriques fait l'objet d'une attention particulière dans le cadre de la technologie verte. Ces machines y contribuent principalement dans le contexte des applications industrielles comme des voitures électriques ou hybrides. Pour éviter les problèmes d’approvisionnement et de coût des aimants terres- rares, des recherches sont effectuées sur des machines sans aimants terres-rares. Pour ces raisons, cette thèse étudie le moteur à basé d’aimants ferrite. La topologie est celle du moteur à aimants permanents à flux axial avec concentration de flux, appelé en anglais « Spoke-Type Axial Flux Permanent Magnet » (STAFPM). L'une des principales propriétés intéressantes de ce moteur est la capacité de concentration du flux magnétique à vide dans son entrefer. Les propriétés de ce moteur avec la présence de pièce ferromagnétiques au rotor ne sont pas aussi bien connues. La présente thèse se concentre donc sur l'étude de ses performances. Pour atteindre ce but, tout d'abord un état de l’art des approches de dimensionnement appliquées aux machines à flux radial et axial basées sur les modèles analytiques de champ magnétique est effectué. De même les états de l’art sur les tests expérimentaux des machines à pôles saillants permettant d'identifier les paramètres statiques et la modélisation 3D du champ magnétique à des fins de dimensionnement sont remis à jour. La première section est aussi partiellement consacrée à une revue de l'application de la méthode des différences finies 3D pour les machines axiales qui est un objectif principal de cette thèse. Dans cette thèse, via un modèle analytique 1D, une comparaison des performances est faite entre un moteur mono-entrefer « STAFPM » et un moteur axial à aimants montés en surface, pris comme référence nommé en anglais « Surface Mounted Axial Flux Permanent Magnet » (SMAFPM). Cette comparaison est effectuée sur la base du couple électromagnétique. En conséquence, le nouveau prototype STAFPM est dimensionné en tenant compte de certaines contraintes magnétiques. Ce prototype prend place sur un banc d'essais. Une méthode originale de détermination des paramètres statiques du modèle électromécanique à constante localisées en anglais « lumped parameter electromechanical model » est mise au point. Cette détermination est basée sur la mesure du calcul du couple statique en fonction de la position du rotor. Un modèle numérique 3D du champ magnétique dans le moteur STAFPM est proposé. Cet outil permet d'étudier le champ magnétique à vide ainsi que les champs de réaction de l'induit. Une méthode originale de calcul du flux magnétique dans le cadre d’une formulation en potentiel scalaire magnétique est développée. Cette méthode permet de calculer de manière très rapide les paramètres statiques du modèle électromécanique. Les paramètres calculés sont comparés aux paramètres identifiés expérimentalement.

Green energy or sources with zero-carbon emissions plays a leading role in the worldwide electrification. Electric machinery field is a subject of attention leading to the green technology. These machines contribute mainly in the context of industrial applications as electric or hybrid cars. Avoiding the issue and price of rare-earth magnets, potential researches contribute particularly to non-rare-earth machines. For that reasons, this thesis studies the ferrite motor through the ‘Spoke Type Axial Flux Permanent Magnet’ (STAFPM) topology. One from the main interesting properties of this motor is the capability of the no load magnetic flux concentration in its airgap. The properties of this motor with ferromagnetic poles in the rotor are not so-well known. The present thesis focuses on studying its performances. Achieving this goal, consists firstly by doing a review on the analytical and numerical sizing approaches applied for radial and axial flux machines based on the magnetic field models and as well as, a review on the experimental test benchmark for salient-pole machines which provide us the identification and computation of the electromechanical parameters. Finally, a revision takes place on the 3D magnetic field modeling for sizing purposes. Thus the first section is partially devoted to review the application of the 3D finite difference method for axial machines which is a main objective in this thesis. Afterwards, using a 1D analytical model, a performance comparison takes place between a single stator-single rotor STAFPM motor and a reference Surface Mounted Axial Flux Permanent Magnet (SMAFPM) motor. This comparison is made on the electromagnetic torque and at unified parameters. Consequently, new STAFPM prototype is sized by a consideration of some magnetic constraints. This prototype takes place on a test bench. An original method of the experimental identification of the parameters of the lumped parameter electromechanical model is developed. This method is based on the static torque measurement as a function of the rotor position. A 3D numerical magnetic field model of the STAFPM motor is proposed. This tool studies the no-load magnetic field as well as the armature reaction fields. An original flux calculation method in the framework of the magnetic scalar potential formulation is developed. This method allows the quick calculation of the parameters of the lumped electromechanical model. The calculated parameters are compared to the experimentally identified parameters.