Modélisation et optimisation de machines électriques à haute vitesse pour les véhicules électriques

par Taha El Hajji

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Mohamed Gabsi, Sami Hlioui, François Louf et de M'hamed Belhadi.

Soutenue le 08-03-2023

à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) , SETE - Systèmes d'énergies pour les transports et l'environnement (équipe de recherche) , École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....) (référent) et de Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....) (graduate school) .

Le président du jury était Claude Marchand.

Le jury était composé de Yacine Amara, Nicolas Bernard, Noureddine Takorabet, Jean-Philippe Lecointe.

Les rapporteurs étaient Yacine Amara, Nicolas Bernard.

mots clés

• Machine électrique
• Haute vitesse
• Modélisation
• Optimisation
• Véhicule électrique
• Transition écologique
• Machines électriques
• Véhicules électriques
• Transition écologique

Résumé

Cette thèse vise à évaluer l’importance de l’augmentation de la vitesse de rotation de la chaine de traction d’un véhicule électrique de la catégorie C. Pour ce faire, la chaine de traction doit être modélisée, en prenant en compte les différents phénomènes liés à la haute vitesse, et optimisée pour un cahier des charges similaire à celui de la Peugeot e208. Une optimisation à grande échelle est menée, ce qui a permis d’évaluer plus de 35,000,000 machines avec des modèles éléments finis en utilisant des ordinateurs puissants. Dans le chapitre 1, les différents risques liés à l’approvisionnement des matières premières utilisées dans la machine, qui ont motivé l’étude de la haute vitesse, sont présentés. Une étude bibliographique des phénomènes et des contraintes liés à la haute vitesse dans la machine et dans le réducteur est effectuée. Dans le chapitre 2, l’outil de modélisation et d’optimisation pour les machines opérant à basse vitesse utilisé dans ce travail est présenté. Une étude approfondie des différents effets haute fréquence dans le bobinage ainsi que leur modèles est présentée. Le modèle des pertes AC dans le bobinage avec le meilleur compromis entre la précision et le temps de calcul est sélectionné. Les pertes et les contraintes dans le réducteur ainsi que leur modèles sont présentés. Un nouveau modèle multiphysique et une nouvelle méthodologie d’optimisation, prenant en compte les effets haute fréquence, sont présentés pour la machine seule, d’une part, et pour la machine et le réducteur, d’autre part. Dans le chapitre 3, une étude préliminaire est effectuée afin de déterminer les paramètres influents pour la conception des machines haute vitesse. Ensuite, plusieurs optimisations sont lancées portant sur la machine seule, d’une part, et sur la machine et le réducteur, d’autre part. Ces résultats permettent de conclure qu’au vu des densités de puissances obtenues, il est intéressant d’utiliser les technologies récentes pour les machines électriques en se limitant à 20,000 tr/min dans les chaines de traction électriques.

mots clés

• Electrical machine
• High speed
• Modeling
• Optimization
• Electric vehicle
• Ecological transition

Titre traduit

Modeling and optimization of high speed electric machines for electric vehicles

Résumé

This PhD aims to evaluate the importance of increasing of the rotational speed of the drive unit of a category C electric vehicle. To do so, the drive unit must be modeled, taking into account the different phenomena related to high speed, and optimized for specifications similar to that of Peugeot e208. Large-scale optimization is conducted, resulting in the evaluation of over 35,000,000 machines with finite element models using powerful computers. In chapter 1, the different risks related to the supply of raw materials used in the machine, which motivated the study of high speed, are presented. A bibliographic study of the phenomena and constraints related to high speed in the machine and the reducer is carried out. In chapter 2, the modeling and optimization tool for low speed machines used in this work is presented. An in-depth study of the different high frequency effects in the winding and their models is performed. The AC losses model in the winding with the best compromise between accuracy and computation time is selected. The losses and stresses in the reducer and their models are presented. A new multiphysics model and a new optimization methodology, considering high frequency effects, are presented, on the one hand, for the machine alone and, on the other hand, for the machine and the reducer. In Chapter 3, a preliminary study is performed to determine the sensitive parameters to the design of high speed machines. Then, several optimizations are launched, on the one hand, for the machine alone and, on the other hand, for the machine and the reducer. From these results, it can be concluded that regarding the obtained power densities, it is worthwhile to use recent technologies for electric machines by limiting its speed to 20,000rpm in electric drive units.