Utilisation optimale d’acier électrique à grains orientés pour l’amélioration des performances de machines électriques pour chaîne de traction automobile

Optimal use of grain-oriented electrical steel to improve the performance of electrical machines for automotive powertrain

• Auteur / Autrice : Abderrahmane Rebhaoui
• Direction : Jean-Philippe Lecointe, Cristian Demian
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/03/2023
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSEE - Laboratoire Systèmes Electrotechniques et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Rachid Ibtiouen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Philippe Lecointe, Georges Barakat, Maya Hage hassan, Frédéric Gillon, Cristian Demian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Ibtiouen, Georges Barakat

Mots clés

Mots clés libres

Tôles à grains orientés

Circuits magnétiques

Machines électriques

Traction automobile

Amélioration du rendement

Réduction des émissions CO2

Grain-oriented electrical steel

Magnetic circuits

Electrical machines

Automotive powertrain

Efficiency improvement

Reduction of CO2 emissions

Résumé

En raison de la demande croissante de réduction des émissions de CO2, les constructeurs de véhicules électriques sont appelés à améliorer les performances des moteurs de chaînes de traction électrique. Dans ce cadre, le moteur synchrone à flux radial et à aimants permanents (MSAP) s’est généralisé. Ce travail de thèse a porté, d’une part, sur l’intégration dans le circuit magnétique statorique d’un matériau à hautes performances, de l’acier électrique à Grains Orientés (GO) et, d’autre part, sur la définition de topologies optimales de circuits magnétiques statoriques exploitant ce matériau. L’objectif d’intégration de ce matériau non conventionnel pour la conception de machines électriques à flux radial a pour but d'améliorer le rendement et la puissance massique du moteur en vue de maximiser l'autonomie du véhicule et de réduire son empreinte environnementale. Les travaux décrivent dans une première partie les spécificités des tôles GO, les caractéristiques des MSAP à bobinage dentaire et les moteurs intégrant déjà ce type d’acier. La deuxième partie analyse l’impact des jonctions inhérentes aux circuits magnétiques segmentés ; elle présente également les possibilités de modélisation numérique des circuits magnétiques à tôles GO en prenant en compte simultanément saturation et anisotropie. Cette partie introduit enfin deux stators à dents GO rapportées, l’un étant à culasse en tôles à grains non-orientées, l’autre étant totalement en tôles GO. La troisième partie propose une analyse des performances obtenues avec ces deux topologies en les appliquant à un moteur de traction automobile de référence. Les résultats montrent un gain significatif de rendement sur toute la plage de fonctionnement dans le plan couple-vitesse. Une optimisation portant sur la géométrie et le bobinage du moteur montre que, par rapport au moteur initial, la puissance massique peut être améliorée de 34%, le couple volumique de 19% et le rendement nominal de 0.5%.

Due to the growing requirement to reduce CO2 emissions, electric vehicle manufacturers are challenged to improve the performance of the powertrain electric motors. In this context, the radial flux Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) has become widely used. This PhD research project is focused on the integration of a high-performance material, Grain Oriented Electrical Steel (GOES), in the stator magnetic circuits and on the definition of optimal topologies for these stator magnetic circuits using this material. The objective of integrating such a non-conventional material in the design of radial flux electric machines is to improve the efficiency and the power density of e-motors in order to maximise the vehicle driving autonomy and to reduce its environmental footprint. The first part of the manuscript describes the specificities of GOES sheets, the characteristics of concentric windings PMSM and the existing e-motors using this type of steel. The second part analyses numerically and experimentally the impact of the junctions in segmented magnetic circuits and the possibility to model numerically the GO circuits taking into account both saturation and anisotropy. It also presents two GOES tooth stators, one with a non-oriented grain sheet yoke, the other with a full GO stator. The third part proposes an analysis of the performances obtained with these two topologies by applying them on a reference automotive traction motor. The results show a significant improvement in efficiency over the operating range in the torque-speed plane. An optimisation of the motor geometry and winding shows that, compared to the original motor, the power density can be improved by 34%, the torque density by 19% and the nominal efficiency by 0.5%.