Modélisation analytique magnéto-acoustique des machines synchrones à commutation de flux à aimants permanents : optimisation du dimensionnement

Analytical approach for magnetic, mechanical and acoustic modeling of flux-switching permanent-magnet motors : application to geometrical optimization

• Auteur / Autrice : Julien Boisson
• Direction : Mohamed Khémis Gabsi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique, automatique
• Date : Soutenance le 25/11/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Louf, Xavier Mininger, Carlos Javier Villagomez Ojeda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Barakat, Jean-Philippe Lecointe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Flux magnétique

Modèles mathématiques

Machines synchrones

Mots clés libres

Machine à commutation de flux

Modèle analytique

Modèle magnétique, mécanique et acoustique

Optimisation

Analytical model

Flux switching permanent magnet

Magnetic, mechanical, acoustic model

Optimization

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude des machines synchrones à commutation de flux à aimants permanents et plus particulièrement sur le comportement magnétique, mécanique et acoustique de ces structures particulières. La finalité étant de réaliser une optimisation géométrique alliant rapidité et robustesse tout en prenant en compte ces critères multi-physiques sus-cités. Dans un premier temps, nous avons dressé une vue d'ensemble du fonctionnement de ces machines en présentant le principe de fonctionnement de la commutation de flux et en étudiant une structure penta-phasée 20/18. L'origine du bruit générée dans ces structures a ensuite été débattue avec une attention toute particulière pour les phénomènes magnétiques. Une exploration des différentes contraintes magnétiques ainsi qu'une analyse mécanique et vibratoire par simulations éléments finis et par mesures expérimentales a été réalisée. Dans un deuxième temps, un modèle multi-physique permettant d'estimer l'état magnétique, mécanique et acoustique de ces structures a été présenté. Le choix s'est porté sur une modélisation entièrement analytique devant la nécessité d'obtenir un modèle rapide. Les différents modèles ont été développés et validés soit par simulations éléments finis, soit par mesures expérimentales. Le modèle magnéto-statique a été réalisée par résolution formelle des équations de Maxwell de la magnéto-statique par développement en série de Fourier. Le modèle mécanique a consisté à calculer les modes et les fréquences propres d'ovalisations du stator par une approche énergétique appelé la méthode du quotient de Rayleigh. Le modèle vibratoire / acoustique a, quant à lui, été réalisé en résolvant les équations d'équilibre de la dynamique des poutres dans la base modale formée par les modes propres précédemment calculés. Enfin, dans un troisième et dernier temps, ce modèle a été appliqué dans le cadre d'une optimisation géométrique afin de maximiser le couple électromagnétique tout en minimisant la puissance acoustique rayonnée. Différentes structures de machines ont été abordées et des règles de construction "silencieuse" ont été proposées. L'influence de nombreux paramètres sur la génération de bruit a été étudiée. Ces optimisations ont été effectuées sur trois types de structures : une structure tri-phasée 12/10, une structure tétra-phasée 16/12 et enfin une structure penta-phasée 20/18. De plus elles ont été réalisées dans deux cas de figure : un cas dans lequel la machine est entraînée à vitesse fixe et un cas dans lequel la machine est entrainée à vitesse variable.

This thesis deals with the study of Flux-Switching Permanent-Magnets, in particular on magnetic, mechanical and acoustic behavior of these structures. Firstly, origin of noise generated has been presented with particular attention to magnetic phenomena. Exploration of magnetic stresses, mechanical and vibration analysis have been performed by finite element simulations. Secondly, an analytical multi-physics model has been presented in order to estimate magnetic, mechanical and acoustic behavior. The different models have been validated by finite element simulations or by experimental measurements. Finally, this model has been applied in a geometric optimization loop to maximize electromagnetic torque and minimize acoustic noise generated. These optimizations have been performed on 3-phases 12/10, 4-phases 16/12 and 5-phases 20/18 at fixed and variable speed.