Simulation du procédé de bobinage de rotors pour les moteurs électriques

Simulation of the winding process for electric motor rotors

• Auteur / Autrice : Giacomo Crippa
• Direction : Damien Durville
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides et des structures
• Date : Inscription en doctorat le 15/01/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MILA - Milieux architecturés
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique non-linéaire

Modèle de poutre

Contact-frottement

Éléments finis

Nonlinear mechanics

Frictional contact

Finite element

Beam model

Résumé

La thèse vise à mettre en œuvre une démarche globale de modélisation par éléments finis permettant de simuler le procédé de bobinage d'un fil afin d'optimiser les paramètres du procédé pour limiter les défauts de trajectoires et améliorer la compacité de l'assemblage. Simuler la dépose du fil sur plusieurs couches autour du noyau de la bobine demande de mettre en œuvre et d'associer plusieurs ingrédients de modélisation. En premier lieu il sera nécessaire de disposer d'un modèle précis permettant de représenter fidèlement les déformations plastiques du fil de cuivre. La longueur de fil à prendre en compte invite à utiliser un modèle de poutre pour limiter les coûts de simulation. Une première partie de la thèse aura pour objectif de valider les déformations plastiques en flexion du modèle de poutre. En identifiant les fonctions d'écrouissage du matériau sur des essais expérimentaux de traction, on s'intéressera au suivi des variables d'histoire du modèle de plasticité à l'aide de points d'intégration répartis dans la section de la poutre. On visera à valider le modèle à partir d'essais de flexion continue en mesurant la déflection du fil de cuivre à la sortie de l'outil de dépose. Une deuxième partie cherchera à simuler le procédé de dépose du fil sur plusieurs couches autour de la bobine afin de mettre en lumière les mécanismes à l'origine de l'apparition de défauts de trajectoire. Pour cette deuxième partie l'accent sera mis sur la prise en compte des interactions de contact-frottement d'une part entre le fil et les différentes parties de l'outillage et d'autre part entre les portions de fils constituant les différentes spires. Les méthodes géométriques de détection du contact seront étudiées et optimisées afin de garantir une bonne précision dans la prise en compte des interactions et une bonne efficacité des algorithmes de résolution associés aux modèles employés. Une troisième partie du travail s'attachera à la problématique de l'insertion d'une cale entre les différentes bobines du rotor afin de les maintenir compactes. On cherchera à construire un modèle permettant d'étudier les déformations causées dans le bobinage par l'introduction de la cale entre deux bobines. Les coûts de calcul liés à la longueur du fil à considérer, et au nombre de pas de temps nécessaires pour effectuer les simulations constitueront une des problématiques de la thèse, et plusieurs options pourront être étudiées pour diminuer ces coûts. Une première approche pourrait consister à augmenter progressivement la longueur de fil considérée pour ne prendre en compte que la partie déformée après passage dans l'outillage. Une deuxième piste serait de mettre en œuvre une méthode de raffinement / déraffinement du maillage afin de concentrer les maillages fins uniquement dans lez zones à forte courbure. Enfin, une troisième option consisterait à figer temporairement les degrés de liberté dans les zones ne subissant plus de nouvelles déformations, pour les réactiver au moment où elles seraient de nouveau sollicitées.

The objective of this thesis is to develop a global finite element modelling approach to simulate the wire winding process, with the aim of optimizing process parameters in order to reduce trajectory defects and enhance the compactness of the assembled structure. The simulation of multi-layer wire deposition around the spool core necessitates the incorporation and integration of a number of modelling components. Firstly, it is necessary to construct a precise model in order to accurately represent the plastic deformations of the copper wire. The length of wire to be taken into account suggests the use of a beam model to limit the costs associated with the simulation. The initial objective of this thesis is to validate the plastic deformations in bending of the beam model. By identifying the material's strain-hardening functions in experimental tensile tests, we will track the plasticity model's history variables using integration points distributed across the beam's cross-section. The model will be validated on the basis of continuous bending tests, whereby the deflection of the copper wire at the exit of the removal tool will be measured. The second phase of the project will entail the simulation of the process of depositing wire in multiple layers around the spool, with the objective of elucidating the mechanisms that give rise to the emergence of trajectory defects. In this second part, the objective is to incorporate contact-friction interactions between the wire and the various components of the tooling, on the one hand, and between the individual sections of wire comprising the different turns, on the other. The geometrical methods for detecting contact will be studied and optimised in order to ensure that interactions are taken into account with accuracy and that the non-linear solution algorithms associated with the models employed are efficient. A third phase of the project will address the issue of inserting a wedge between the neighbor rotor coils in order to maintain their compactness. A model will be developed to study the effects of inserting the wedge between two winding sections. One of the key issues addressed in the thesis will be the computational costs associated with the length of wire to be considered and the number of time steps required to carry out the simulations. Different options will be explored to reduce these costs. One possible approach would be to progressively increase the length of wire considered, ensuring that only the portion deformed after passing through the tooling is taken into account. A second approach would be to implement a mesh refinement/derefinement method, whereby fine meshes would be concentrated only in areas of high curvature. As a final consideration, a third option would be to temporarily freeze the degrees of freedom in those zones no longer subject to new deformations, while enabling them to be reactivated once they are deformed again.