SOUTENANCE DE THESE
30/09/2015
BERNOT Alix 30/9/15 Centrale Supélec à 14h15

SUJET : Modélisation et Optimisation d’une machine électrique homopolaire en poudre de fer.
Modelling and optimization of an iron powder homopolar electrical machine
Thèse préparée à : CentraleSupélec – Labo : GEEPS

Directeur de Thèse Jean-Claude VANNIER
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)
BERNOT François
BOUILLAULT Frédéric
ESPANET Christophe
LAITHIER Eric
LEFEVRE Yvan
VANNIER Jean-Claude

RESUME

Cette thèse se place dans la perspective de l’amélioration des machines électriques embarquées, en explorant notamment les possibilités offertes par les poudres magnétiques composites, à savoir l’isotropie magnétique et la possibilité de circulation tridimensionnelle du champ. L’objectif des travaux est non de dimensionner une machine précise, mais d’apporter une contribution plus générale à la compréhension et à la conception des machines électriques.
L’analyse de l’état de l’art nous a porté sur le choix des machines à flux transverse à aimants permanents, dont plusieurs architectures ont été passées en revue. Le choix final est celui d’une structure à griffes, associée à un rotor à aimants en surface, avec un empilement de machines monophasées au stator. Cette structure est à la fois prometteuse en termes de performances et d’une réalisation industrielle réaliste.
La première partie présente une modélisation linéaire de la machine retenue. Une première modélisation analytique simple est proposée, qui donne un premier ordre de grande et pointe déjà vers les difficultés à venir, à savoir un nombre de paires de pôles importants, une forte ondulation de couple et une grande saturation du circuit magnétique du stator. L’influence de l’augmentation du nombre de paires de pôles a été estimée analytiquement séparément, ce qui a mis en évidence une chute du couple maximum en raison d’un flux de fuite très important pour un nombre de paires de pôles trop grand.
Un modèle semi-analytique à base de réluctances a ensuite été développé. Une modélisation brute donne des ordres de grandeur intéressants du couple en charge, mais n’est pas du tout représentative des formes du couple. Le problème se situe dans la circulation du flux dans l’entrefer : une modélisation des seuls flux directs s’est a avérée insuffisante. Cette circulation a alors été étudiée en détail, par une série de modélisation aux éléments finis d’une machine bidimensionnelle, reprenant les caractéristiques d’entrefer de la machine complète. Cette modélisation a mis en évidence la nécessité de modéliser l’inclinaison du flux dans l’entrefer, un flux supposé uniquement radial ne permettant pas de bien rendre compte du comportement de la machine. Un modèle à flux incliné est alors introduit, modèle qui donne satisfaction pour la machine bidimensionnelle simulée, mais et est ensuite porté sur la machine tridimensionnelle complète. La machine est ensuite simulée aux éléments finis linéaires, afin notamment de valider le modèle analytique et de faire sortir les problématiques à améliorer en vue de l’amélioration. Une problématique majeure est la forte saturation du pied de dent, qui demande un travail en profondeur sur le circuit magnétique.
La troisième partie est le développement d’un modèle semi-analytique non-linéaire, afin d’étudier l’effet de la saturation magnétique. Ce modèle adopte un algorithme de type Newton-Raphson afin de converger vers la solution. Le modèle non linéaire complet de la machine est alors effectué, en reprenant le modèle à flux incliné, puis comparé avec une simulation aux éléments finis non linéaires de la machine. L’évolution générale du couple utile est retrouvée, mais une erreur de 20% apparaît, ce qui montre qu’un progrès reste à faire sur le modèle semi-analytique. Un prototype de la machine est également réalisé, afin de valider ses performances. Les résultats des essais sur banc montre un couple intéressant, et mettent en évidence une saturation du couple en fonction du courant, liée à la saturation magnétique.
La quatrième partie est l’analyse de la machine en vue de l’améliorer. Son circuit magnétique est étudié en détail, ce qui amène à proposer une nouvelle forme de dent stator en deux parties. La méthode de fabrication est alors étudiée en détail, ce qui amène à imposer des contraintes géométriques sur cette nouvelle forme de dents. L’analyse éléments finis montre une augmentation du couple d’au moins 50%. Une réalisation à rotor inversé est alors proposée, afin de maximiser le rayon d’entrefer. Un prototype de neuf phases est alors réalisé et testé. La machine assemblée uniquement en monophasé montre un gain de couple d’un facteur 2,1 par rapport au premier prototype (ramené à un rayon d’entrefer constant). Cependant, l’assemblage des neuf phases s’est avéré trop complexe et le prototype complet n’a pas pu être testé.
La cinquième partie voit l’introduction d’une architecture homopolaire à excitation bobinée, à rotor massif. Un modèle analytique est réalisé, qui donne un premier ordre de grandeur des performances. Le domaine de validité de ce modèle est cependant assez réduit, limité aux zones de fonctionnement totalement linéaires. Une comparaison avec les simulations éléments finis montre des erreurs très importantes en présence de courants élevés. La simulation aux éléments finis de la machine met également en évidence une très grande saturation du circuit magnétique, et fait apparaître de manière surprenante que le couple diminue lorsque le courant augmente trop. Un prototype est réalisé et testé, qui confirme ces simulations. Les performances globales de cette machine restent limitées, bien qu’elle présente un intérêt par sa grande simplicité et son coût réduit. Une dernière structure est alors introduite, avec des dents isolées au rotor. Cette structure est modélisée analytiquement puis simulée, montrant un gain modéré en couple, au prix d’une réalisation beaucoup plus complexe au rotor.
Les principaux apports de cette thèse sont au niveau de la modélisation tridimensionnelle des machines électriques, de l’amélioration des structures à griffes. Elle introduit également une nouvelle machine homopolaire à excitation bobinée et à rotor massif, machine robuste et économique. Les modèles analytiques développés peuvent à présent être améliorés afin d’être rendus plus précis, et donner lieu à une optimisation paramétique ; une étude sur les structures de rotor, ainsi qu’un modèle thermique peuvent également suivre. Pour finir, la nouvelle machine homopolaire de la cinquième partie, simplement introduite, peut également être optimisée en profondeur.