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HAL Id: tel-00352970 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00352970 Submitted on 14 Jan 2009 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. CONCEPTION D’UN MOTEUR RAPIDE À AIMANTS PERMANENTS POUR L’ENTRAÎNEMENT DE COMPRESSEURS DE PILES À COMBUSTIBLE Frédéric Dubas To cite this version: Frédéric Dubas. CONCEPTION D’UN MOTEUR RAPIDE À AIMANTS PERMANENTS POUR L’ENTRAÎNEMENT DE COMPRESSEURS DE PILES À COMBUSTIBLE. Physique mathématique [math-ph]. Université de Franche-Comté, 2006. Français. <tel-00352970>

conception d'un moteur rapide à aimants permanents pour l

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  • HAL Id: tel-00352970https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00352970

    Submitted on 14 Jan 2009

    HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.

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    CONCEPTION DUN MOTEUR RAPIDE AIMANTS PERMANENTS POUR

    LENTRANEMENT DE COMPRESSEURS DE PILES COMBUSTIBLE

    Frdric Dubas

    To cite this version:Frdric Dubas. CONCEPTION DUN MOTEUR RAPIDE AIMANTS PERMANENTS POURLENTRANEMENT DE COMPRESSEURS DE PILES COMBUSTIBLE. Physique mathmatique[math-ph]. Universit de Franche-Comt, 2006. Franais.

    https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00352970https://hal.archives-ouvertes.fr
  • Anne 2006 N d'ordre : 94

    Laboratoire de Recherche en lectronique, lectrotechnique et Systme (L2ES) Unit mixte de recherche de l'Universit de Technologie de Belfort-Montbliard (UTBM) et

    de l'Universit de Franche-Comt (UFC) EA 3898

    THSE DE DOCTORAT

    prsente

    l'UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie de l'UFC

    en vue d'obtenir le grade de

    DOCTEUR DE L'UNIVERSIT DE FRANCHE-COMT EN

    SCIENCES POUR l'INGNIEUR

    par

    Frdric DUBAS

    CONCEPTION D'UN MOTEUR RAPIDE AIMANTS PERMANENTS

    POUR L'ENTRANEMENT DE COMPRESSEURS DE PILES COMBUSTIBLE

    soutenue publiquement le 5 Dcembre 2006 devant le jury compos de :

    Prsident : M. Adel RAZEK

    Rapporteur : M. Mohamed GABSI Rapporteur : M. Laurent KRHENBHL

    Examinateur : M. Bernard DAVAT Examinateur : M. Christophe ESPANET Examinateur : M. Abdellatif MIRAOUI

  • Anne 2006 N d'ordre : 94

    Laboratoire de Recherche en lectronique, lectrotechnique et Systme (L2ES) Unit mixte de recherche de l'Universit de Technologie de Belfort-Montbliard (UTBM) et

    de l'Universit de Franche-Comt (UFC) EA 3898

    THSE DE DOCTORAT

    prsente

    l'UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie de l'UFC

    en vue d'obtenir le grade de

    DOCTEUR DE L'UNIVERSIT DE FRANCHE-COMT EN

    SCIENCES POUR l'INGNIEUR

    par

    Frdric DUBAS

    CONCEPTION D'UN MOTEUR RAPIDE AIMANTS PERMANENTS

    POUR L'ENTRANEMENT DE COMPRESSEURS DE PILES COMBUSTIBLE

    soutenue publiquement le 5 Dcembre 2006 devant le jury compos de :

    Prsident : M. Adel RAZEK

    Rapporteur : M. Mohamed GABSI Rapporteur : M. Laurent KRHENBHL

    Examinateur : M. Bernard DAVAT Examinateur : M. Christophe ESPANET Examinateur : M. Abdellatif MIRAOUI

  • Tables des matires.

    i

    - TABLE DES MATIRES -

    TABLE DES MATIRES ............................................................................... i

    LISTE DES FIGURES ................................................................................ v

    LISTE DES TABLEAUX..............................................................................xv

    AVANT-PROPOS ................................................................................. xix

    NOMENCLATURE................................................................................ xxi

    VERSION ABRGE .............................................................................xxxi

    INTRODUCTION GNRALE .....................................................................1 I. Cadre gnral de la thse et remarques prliminaires ..................................... 1 II. Structure de la thse...................................................................................... 2

    CHAPITRE 1 : CONTEXTE ET OBJECTIF DE LA THSE ......................................5 Table des matires............................................................................................. 7 I. Contexte applicatif : Motorisation de compresseurs pour le systme pile combustible....................................................................................................... 9 I.1. Description du systme pile combustible ......................................................... 9 I.2. Groupe moto-compresseur pour le systme pile combustible ......................... 16 I.3. Cahier des charges de l'actionneur lectrique pour compresseurs de piles combustible.............................................................................................................. 17

    II. Contexte mthodologie : Conception en gnie lectrique .............................. 19 II.1. Introduction .................................................................................................. 19 II.2. Processus de conception ................................................................................ 19 II.3. Outils d'aide la conception en vue de l'amlioration de son efficacit ............ 21 II.4. Modles d'aide au dimensionnement par optimisation..................................... 23 II.5. Mthodes d'optimisation au service du dimensionnement ................................ 25 II.6. Dmarche retenue pour la mthodologie de conception pour la motorisation de compresseurs pour le systme pile combustible ....................................................... 29

  • Table des matires.

    ii

    CHAPITRE 2 : DVELOPPEMENT D'UN MODLE ANALYTIQUE POUR LES MACHINES SYNCHRONES AIMANTS PERMANENTS SANS PICES POLAIRES INDUCTEUR

    INTRIEUR OU EXTRIEUR.......................................................................31 Table des matires........................................................................................... 33 I. Introduction................................................................................................. 36 II. Modlisation gomtrique des structures tudies ......................................... 37 II.1. Introduction .................................................................................................. 37 II.2. Dfinition gomtrique .................................................................................. 37 II.3. Dfinition de l'inducteur ................................................................................. 38 II.4. Dfinition de l'induit dent ............................................................................. 39 II.5. Dfinition de l'entrefer rel ............................................................................. 43 II.6. Dfinition de la masse totale des parties actives .............................................. 43 II.7. Dfinition du moment d'inertie des masses tournantes ..................................... 43

    III. Modlisation magnto-thermique des matriaux magntiques...................... 44 III.1. Introduction.................................................................................................. 44 III.2. Gnralits .................................................................................................. 44 III.3. Classification................................................................................................ 45 III.4. Modlisation magnto-thermique des aimants permanents............................. 45 III.5. Modlisation magnto-thermique des matriaux ferromagntiques doux ......... 52

    IV. Modlisation de la rpartition des courants de l'induit .................................. 54 IV.1. Introduction ................................................................................................. 54 IV.2. Dcomposition harmonique de la rpartition des courants de l'induit .............. 55

    V. Modlisation lectromagntique des structures tudies ................................ 60 V.1. Introduction .................................................................................................. 60 V.2. quations aux drives partielles gnrales .................................................... 62 V.3. quations aux drives partielles gnrales appliques aux structures tudies .... 66 V.4. Rsolution des quations aux drives partielles gnrales appliques aux structures tudies..................................................................................................... 81

    VI. Conclusion ................................................................................................ 97

    CHAPITRE 3 : DTERMINATION ANALYTIQUE DES GRANDEURS LOCALES ET INTGRALES DES MACHINES SYNCHRONES AIMANTS PERMANENTS SANS PICES

    POLAIRES INDUCTEUR INTRIEUR OU EXTRIEUR ......................................101 Table des matires......................................................................................... 103 I. Introduction............................................................................................... 105 II. Reprsentation des grandeurs locales dans les structures tudies................ 105 II.1. Introduction ................................................................................................ 105 II.2. Induction magntique totale dans chaque rgion d'tude............................... 105

  • Tables des matires.

    iii

    II.3. Champ magntique total dans chaque rgion d'tude................................... 128 II.4. Grandeurs locales dtermines partir du thorme de Faraday et de la loi d'Ohm ................................................................................................................... 136

    III. Reprsentation des grandeurs intgrales dans les structures tudies........... 140 III.1. Introduction................................................................................................ 140 III.2. Flux magntique totalis traversant une phase quelconque du bobinage de l'induit .................................................................................................................... 141 III.3. Flux magntique totalis dans l'induit dent.................................................. 150 III.4. Couple lectromagntique des structures tudies ........................................ 162

    IV. Reprsentation des grandeurs lectromagntiques partir des grandeurs intgrales ...................................................................................................... 171 IV.1. Introduction ............................................................................................... 171 IV.2. Force lectromotrice induite dans une phase quelconque ............................. 172 IV.3. Les diffrentes inductances dans les structures tudies................................. 174

    V. Conclusion............................................................................................... 176

    CHAPITRE 4 : MODLISATION LECTROMCANIQUE DES MACHINES SYNCHRONES AIMANTS PERMANENTS SANS PICES POLAIRES INDUCTEUR INTRIEUR OU

    EXTRIEUR ET ESTIMATION DES PERTES ......................................................179 Table des matires......................................................................................... 181 I. Introduction............................................................................................... 183 II. Modlisation analytique des diffrentes pertes dans les structures tudies ... 184 II.1. Pertes dans le circuit lectrique..................................................................... 184 II.2. Pertes dans le circuit magntique (l'induit dent et l'inducteur) ........................ 190 II.3. Pertes mcaniques....................................................................................... 219

    III. Bilan lectromcanique et calcul du rendement des structures tudies........ 223 III.1. Introduction................................................................................................ 223 III.2. Bilan global des pertes ............................................................................... 224 III.3. Schma lectrique quivalent et bilan global des puissances......................... 224 III.4. Rendement................................................................................................. 229 IV. Conclusion ....................................................................................................... 229

    CHAPITRE 5 : CONCEPTION OPTIMALE D'UN PROTOTYPE DE MACHINE SYNCHRONE AIMANTS PERMANENTS SANS PICES POLAIRES INDUCTEUR INTRIEUR ET

    VALIDATIONS EXPRIMENTALES....................................................................... 233 Table des matires......................................................................................... 235 I. Introduction............................................................................................... 237

  • Table des matires.

    iv

    II. Conception d'un prototype de 500 W pour l'entranement de compresseurs de pile combustible ......................................................................................... 237 II.1. Rappel du cahier des charges ...................................................................... 237 II.2. Dmarche de dimensionnement optimale..................................................... 237 II.3. Rsultat du dimensionnement....................................................................... 238

    III. Conception de l'alimentation pour le prototype de 500 W .......................... 239 III.1. Introduction................................................................................................ 239 III.2. Gnralits ................................................................................................ 239 III.3. Dispositif ddi la fonction de mesure de la position.................................. 242 III.4. Gnration des consignes de courants d'alimentation................................... 248 III.5. Systme de contrle des courants et commande de l'onduleur de tension ...... 250

    IV. Mise en uvre exprimentale ................................................................... 251 IV.1. Introduction ............................................................................................... 251 IV.2. Description du banc d'essai avec l'alimentation ............................................ 251 IV.3. Caractrisation lmentaire de la machine synchrone rapide de 500 W........ 259 IV.4. Rsultats exprimentaux en charge.............................................................. 264

    V. Conclusion............................................................................................... 266

    CONCLUSION GNRALE ...................................................................267 I. Bilan du travail de recherche ...................................................................... 267 II. Originalits du travail Apports personnels................................................ 268 III. Perspectives du travail .............................................................................. 270

    ANNEXES........................................................................................273

    BIBLIOGRAPHIE ................................................................................353

  • Liste des figures.

    v

    - LISTE DES FIGURES -

    Chapitre 1 Contexte et objectif de la thse : Figure 1 : Comparaison des rendements des diffrents convertisseurs d'nergie [16]............................. 11

    Figure 2 : Schma de base dcrivant le systme pile combustible (PAC) [19] ...................................... 12

    Figure 3 : Pile combustible membrane changeuse de proton (PEMFC) : (a) Vues relles, (b) Vue clate et (c) Principe de fonctionnement ............................................................................. 13

    Figure 4 : Rpartition des puissances consommes par : (a) le systme PAC et (b) les diffrents auxiliaires..... 15

    Figure 5 : Photographie du banc PAC Helion 5 kW du L2ES ................................................................ 18

    Figure 6 : Organigramme gnral du processus de conception............................................................ 19

    Figure 7 : Reprsentation symbolique de lalgorithme de dimensionnement par optimisation laide dun systme boucl................................................................................................................... 23

    Figure 8 : Schma structurel des avantages et des inconvnients (Gris fonc) des modles numriques .. 24

    Figure 9 : Schma structurel des avantages et des inconvnients (Gris fonc) des modles analytiques... 25

    Chapitre 2 Dveloppement d'un modle analytique pour les machines synchrones aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur : Figure 10 : Coupe transversale des diffrentes topologies de machines synchrones aimants permanents

    (MSAPs) monts en surface inducteur (a) intrieur et (b) extrieur ..................................... 37

    Figure 11 : Dtail d'une dent statorique pour les deux topologies considres : inducteur (a) intrieur et (b) extrieur ..................................................................................................................... 37

    Figure 12 : Gomtrie des aimants permanents inducteur extrieur [5] : (a) Structure relle et (b) Structure implante dans le modle.............................................................................. 38

    Figure 13 : Reprsentation de la position radiale d'un conducteur centr dans l'encoche : inducteur (a) intrieur et (b) extrieur................................................................................................ 41

    Figure 14 : Dfinition des longueurs d'une tte de bobine pour b : (a) grand et (b) petit ..................... 41

    Figure 15 : Formes gnrales des cycles d'hystrsis pour les matriaux magntiques (a) durs et (b) doux [76]............................................................................................................. 45

    Figure 16 : Courbe de dsaimantation : (a) Limite admissible du champ dmagntisant. (b) Irrversibilit de l'action d'un champ magntique sur la polarisation d'un aimant permanent entranant sa dsaimantation ................................................................................................................ 46

    Figure 17 : Variation thermique : (a) Champ coercitif intrinsque. (b) Induction rmanente des aimants [79] .... 47

    Figure 18 : Reprsentation d'un aimant permanent avec une direction d'aimantation : (a) radiale et (b) parallle ..................................................................................................................... 49

    Figure 19 : Distribution spatiale des composantes (i) radiale et (ii) tangentielle du vecteur induction rmanente des aimants permanents, sous une paire de ples, suivant une direction

  • Liste des figures.

    vi

    d'aimantation (a) radiale et (b) parallle ............................................................................ 50

    Figure 20 : volution de la composante (a) radiale et (b) tangentielle d'une aimantation parallle par rapport une aimantation radiale en fonction de a et de p ............................................. 51

    Figure 21 : Dcomposition en zone de la courbe de premire aimantation........................................... 52

    Figure 22 : Courbes de premire aimantation des matriaux magntiques les plus courants ................. 54

    Figure 23 : Forme d'onde et spectre harmonique du courant d'alimentation : (a) sinusodale et (b) rectangulaire............................................................................................................... 56

    Figure 24 : Schma d'un bobinage triphas imbriqu pas raccourci de 5/6 avec cN 2= , q 2= et p 1= .. 57

    Figure 25 : Forme d'onde et spectre harmonique de la rpartition spatio-temporelles des courants de l'induit pour le bobinage imbriqu de la Figure 24 avec une alimentation : (a) sinusodale ou (b) rectangulaire............................................................................................................... 59

    Figure 26 : Reprsentation de l'inclinaison de l'armature statorique pour une topologie inducteur intrieur........................................................................................................................... 59

    Figure 27 : Forme d'onde et spectre harmonique de la rpartition spatio-temporelle des courants de l'induit avec l'inclinaison de l'armature statorique pour le bobinage imbriqu de la Figure 24 avec une alimentation : (a) sinusodale ou (b) rectangulaire................................................ 61

    Figure 28 : Dcoupage gnral en couches concentriques des diffrentes topologies de machines synchrones aimants permanents (MSAPs) monts en surface inducteur (a) intrieur et (b) extrieur ........67

    Figure 29 : Transformation d'un induit dent en un induit lisse en appliquant le coefficient de Carter classique cK .................................................................................................................... 69

    Figure 30 : Variation du coefficient de Carter classique cK en fonction des rapports adimensionnels

    oe odb b et a oee b .......................................................................................................... 70

    Figure 31 : Les diffrentes topologies simplifies de machines synchrones aimants permanents (MSAPs) monts en surface inducteur (a) intrieur et (b) extrieur en appliquant le coefficient de Carter classique cK ......................................................................................................... 72

    Figure 32 : Application du thorme de superposition : modle magntostatique et modle magntodynamique ......................................................................................................... 74

    Figure 33 : Caractristique magntique de l'aimant permanent la temprature aT donne par le

    constructeur et caractristiques magntiques corriges dans la modle analytique...................77

    Figure 34 : Erreur de calcul dans le potentiel vecteur magntique pour les trois approximations dans la (a) Rgion I , (b) Rgion II et (c) Rgion III en fonction de a et de ra .......................... 78

    Figure 35 : Dfinition des angles pour un changement de repre......................................................... 82

    Figure 36 : Conditions aux limites au passage d'une surface................................................................ 92

    Figure 37 : Schma structurel correspondant au dveloppement d'un modle analytique pour les machines synchrones aimants permanents (MSAPs) monts en surface inducteur intrieur ou extrieur ..................................................................................................................... 98

    Chapitre 3 Dtermination analytique des grandeurs locales et intgrales des machines synchrones

  • Liste des figures.

    vii

    aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur : Figure 38 : Induction magntique en magntostatique dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire

    de ples, pour a 1 = et p 1= avec une aimantation radiale : (a) Distribution spatiale.

    (b) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) des composantes (i) radiale et (ii) tangentielle et (iii) de la valeur du module................................................ 109

    Figure 39 : Induction magntique en magntostatique dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, pour a 1 = et p 1= avec une aimantation parallle : (a) Distribution spatiale.

    (b) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) des composantes (i) radiale et (ii) tangentielle et (iii) de la valeur du module. ............................................... 110

    Figure 40 : Induction magntique en magntostatique dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, pour a 1 = et p 12= avec une aimantation radiale : (a) Distribution spatiale.

    (b) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) des composantes (i) radiale et (ii) tangentielle et (iii) de la valeur du module................................................ 111

    Figure 41 : Induction magntique en magntostatique dans les diffrentes rgion d'tude, sous une paire de ple, pour a 1 = et p 12= avec une aimantation parallle : (a) Distribution spatiale.

    (b) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) des composantes (i) radiale et (ii) tangentielle et (iii) de la valeur du module................................................ 112

    Figure 42 : volution de l'induction magntique en magntostatique la surface du stator quivalent lisse

    ( )s1r R= en r p0 rad. = , pour a 1 = et p 1= , en fonction des ratios adimensionnels rI et rII suivant une direction d'aimantation (a) radiale ou (b) parallle ................................ 115

    Figure 43 : Les diffrents flux de fuite magntique entre et autour du bord des aimants permanents pour une direction d'aimantation (a) radiale ou (b) parallle pour deux gomtries donnes l'inducteur a 1 = , p 1= , r 0 %=III , (i) r 90 %=I & r 44,44 %=II et (ii) r 70 %=I &

    r 28,57 %=II [108] ....................................................................................................... 116

    Figure 44 : volution des rseaux de ratios ( )maxr ,rI II permettant de maximiser l'induction magntique en magntostatique dans la Rgion I (l'entrefer fictif) pour une direction d'aimantation (a) radiale ou (b) parallle pour (i) 1 p 12 et a 1 = & (ii) a0 1 et p 1= ................................ 118

    Figure 45 : volution de l'induction magntique en magntostatique la surface du stator quivalent lisse

    ( )s1r R= en r p0 rad. = pour a 1 = , p 12= et r 90 %=I en fonction du ratio adimensionnel rII suivant les deux types d'aimantation .................................................... 119

    Figure 46 : volution du ratio nor /maxah en fonction du ratio rI selon une direction d'aimantation

    (a) radiale ou (b) parallle pour (i) 1 p 12 et a 1 = & (ii) a0 1 et p 1= ............... 121

    Figure 47 : Erreur d'interpolation inti de l'paisseur maximale normalise d'aimant permanent

    nor /maxah

    en fonction de a et de p pour une direction d'aimantation (a) radiale ou (b) parallle ..... 122

    Figure 48 : Induction magntique en magntodynamique dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, avec une alimentation sinusodale : (a) Distribution spatio-temporelle l'instant

    0t . (b) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) des composantes

    (i) radiale et (ii) tangentielle et (iii) de la valeur du module................................................ 126

  • Liste des figures.

    viii

    Figure 49 : Induction magntique en magntodynamique dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, avec une alimentation rectangulaire : (a) Distribution spatio-temporelle l'instant 0t et (b) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) des

    composantes (i) radiale et (ii) tangentielle et du (iii) module .............................................. 127

    Figure 50 : Comparaison de l'induction magntique en magntodynamique avec et sans les conductivits lectriques dans les matriaux lectromagntiques dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, l'instant 0t avec un courant d'alimentation (a) sinusodal et

    (b) rectangulaire [composantes (i) radiale, (ii) tangentielle et (iii) module] .......................... 129

    Figure 51 : Dgrads du module, ( )a rH ,r, , t ji T , du champ magntique total dans les diffrentes rgions d'tude a 120 C= T et l'instant 0t avec un courant d'alimentation sinusodal pour

    une valeur efficace du courant gale : (i) I et (ii) 15 I et pour une direction d'aimantation : (a) radiale ou (b) parallle .............................................................................................. 134

    Figure 52 : Dgrads du module, ( )a rH ,r, , t ji T , du champ magntique total dans les diffrentes rgions d'tude a 120 C= T et l'instant 0t avec un courant d'alimentation rectangulaire

    pour une valeur efficace du courant gale : (i) I et (ii) 15 I et pour une direction d'aimantation : (a) radiale ou (b) parallle....................................................................... 135

    Figure 53 : Pourcentage de dsaimantation suivant les deux types d'alimentation et les deux types d'aimantation avec et sans les conductivits lectriques dans les matriaux magntiques (dans les aimants permanents et dans la culasse rotorique) ....................................................... 135

    Figure 54 : Densit surfacique de courant par courants de Foucault dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, avec un courant d'alimentation l'instant 0t : (a) sinusodale ou

    (b) rectangulaire (i) Distribution spatio-temporelle et (ii) Comparaison analytique-numrique (au milieu de chaque rgion) .......................................................................................... 139

    Figure 55 : Comparaison de la densit surfacique de courant par courants de Foucault avec et sans les conductivits lectriques dans les matriaux lectromagntiques dans les diffrentes rgions d'tude, sous une paire de ples, l'instant 0t avec un courant d'alimentation : (a) sinusodale

    ou (b) rectangulaire........................................................................................................ 139

    Figure 56 : Reprsentation des courants de Foucault induits dans un segment d'aimant permanent en 3D [104] ....................................................................................................... 140

    Figure 57 : Reprsentation des phnomnes tridimensionnels produits par le dbordement des aimants permanents [5] .............................................................................................................. 144

    Figure 58 : volution (a) de la loi du gain de flux magntique ( ) ( )g ga 0 a 0s s

    , t , t i iT T [46] et [76], et

    (b) du coefficient tridimensionnel 3DK en fonction des deux rapports a et s1 ................. 145

    Figure 59 : Comparaison analytique-numrique du flux magntique en magntostatique traversant la phase-A pour une aimantation : (a) radiale ou (b) parallle ............................................. 146

    Figure 60 : Comparaison analytique-numrique du flux magntique en magntodynamique traversant la phase-A avec un courant d'alimentation : (a) sinusodale ou (b) rectangulaire ................... 149

    Figure 61 : Allure des lignes de champ dans une machine synchrone aimants permanents monts en surface inducteur intrieur avec une aimantation radiale ............................................... 152

  • Liste des figures.

    ix

    Figure 62 : Zones caractristiques constituant l'ensemble isthmes-dent des diffrentes topologies : inducteur (a) intrieur et (b) extrieur............................................................................................................154

    Figure 63 : (a) Lignes de champ et (b) dgrads de l'induction magntique totale, tracs avec le logiciel d'lments finis Flux2D, en magntostatique ( vide) dans une machine synchrone aimants permanents monts en surface inducteur intrieur avec une aimantation : (i) radiale ou (ii) parallle ................................................................................................................... 160

    Figure 64 : Comparaison analytique-numrique du flux magntique totalis pour les deux types d'aimantation (radiale ou parallle) (a) dans l'ensemble isthmes-dent numro et (b) dans la culasse statorique........................................................................................................... 160

    Figure 65 : Comparaison analytique-numrique de l'induction magntique totalis (i) dans les diffrentes zones d'tude (aux extrmits de chaque zone) de l'ensemble isthmes-dent numro et (ii) dans la culasse statorique pour une aimantation : (a) radiale ou (b) parallle ............... 161

    Figure 66 : Reprsentation des composantes de l'induction magntique totale dans les diffrentes parties de l'induit ngliges par le modle analytique pour les deux types d'aimantation : (a) composante tangentielle dans l'ensemble isthmes-dent numro et (b) composante radiale dans la culasse statorique....................................................................................................................... 161

    Figure 67 : Points pour lesquels sont relevs les inductions magntiques totales dans l'induit dent ...... 162

    Figure 68 : Distribution spatio-temporelle du couple lectromagntique normal pour une direction d'aimantation : (a) radiale ou (b) parallle avec un courant d'alimentation (i) sinusodal ou (ii) rectangulaire............................................................................................................. 167

    Figure 69 : Spectre harmonique du couple lectromagntique normal pour une direction d'aimantation : (a) radiale ou (b) parallle....................................................................... 167

    Figure 70 : Distribution spatio-temporelle du couple lectromagntique supplmentaire avec un courant d'alimentation : (a) sinusodale ou (b) rectangulaire ......................................................... 169

    Figure 71 : Comparaison analytique-numrique du couple lectromagntique d'une structure relle avec un courant sinusodale avec une aimantation : (a) radiale ou (b) parallle ........................ 170

    Figure 72 : Comparaison analytique-numrique de la force lectromotrice induite dans la phase-A pour une aimantation : (a) radiale ou (b) parallle................................................................... 174

    Figure 73 : Schma structurel correspondant la dtermination et l'tude des grandeurs locales et intgrales dans les machines synchrones aimants permanents (MSAPs) monts en surface inducteur intrieur ou extrieur........................................................................................ 177

    Chapitre 4 Modlisation lectromcanique des machines synchrones aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur et Estimation des pertes : Figure 74 : Nature et localisation des diffrentes pertes dans les machines lectriques aimants

    permanents ................................................................................................................... 184

    Figure 75 : Caractristiques physiques du cuivre en fonction du diamtre normalis fcuD des fils de cuivre

    ronds : (a) la rsistivit lectrique cu0r et (b) la masse volumique cuv ............................. 185

    Figure 76 : Spectre harmonique des pertes moyennes normales par effet Joule en frquence basse pour un courant d'alimentation (a) sinusodale et (b) rectangulaire............................................ 187

    Figure 77 : Allure de la densit surfacique de courant par courants de Foucault dans un conducteur rond

  • Liste des figures.

    x

    subissant l'effet pelliculaire (trait plein en basse frquence et trait en pointill frquence leve)........................................................................................................................... 188

    Figure 78 : Variation du rapport de la rsistance effective sur la rsistance frquence nulle d'une phase quelconque en fonction du diamtre rduit dans l'air ....................................................... 189

    Figure 79 : Spectre harmonique des pertes supplmentaires frquence leve par effet Joule pour un courant d'alimentation (a) sinusodale et (b) rectangulaire ................................................ 190

    Figure 80 : Pertes massiques totales x / ytP en fonction de la frquence de fonctionnement 0f pour

    diffrentes valeurs de l'induction magntique maximale maxB [154] ................................. 194

    Figure 81 : Erreur entre les courbes des pertes totales mesures l'aide du cadre d'Epstein et celles calcules l'aide de l'approche macroscopique de Steinmetz ........................................... 195

    Figure 82 : volution des pertes magntiques dans l'induit dent suivant la vitesse de rotation pour les deux types d'aimantation (radiale ou parallle) : (a) Pertes totales dissipes. (b) Pertes par courants de Foucault. (c) Pertes par hystrsis .................................................................. 204

    Figure 83 : Comparaison des pertes fer totales provoques par une aimantation parallle par rapport une aimantation radiale ................................................................................................. 205

    Figure 84 : Discrtisation fine du maillage ( partir du logiciel d'lments finis Flux2D) au niveau de la partie tournante dans une machine synchrone aimants permanents monts en surface inducteur intrieur .......................................................................................................... 208

    Figure 85 : Influence de la segmentation des aimants permanents sous un ple sur les pertes magntiques dans la partie tournante [103]- [104] ............................................................................... 210

    Figure 86 : Influence de la saturation dans le matriau ferromagntique doux utilis pour la culasse rotorique sur les pertes magntiques dans la partie tournante [183].................................. 211

    Figure 87 : volution des pertes instantanes et moyennes par courants de Foucault dans les diffrentes parties de l'inducteur une vitesse de rotation, 0N , gale 10 000 tr/min. avec un courant

    d'alimentation : (a) : sinusodale ou (b) : rectangulaire ..................................................... 216

    Figure 88 : volution des pertes moyennes par courants de Foucault suivant la vitesse de rotation pour un courant d'alimentation (a) sinusodal ou (b) rectangulaire dans : (i) la partie tournante, (ii) la Rgion II (la couronne aimante) et (iii) la Rgion III (la culasse rotorique) .................... 218

    Figure 89 : Roulement rotule sur billes. (a) Coupe transversale d'un roulement et (b) Roulement soumis des charges combines (radiale et axiale)........................................................................ 219

    Figure 90 : volution de la viscosit cinmatique en fonction de la temprature de fonctionnement du roulement rT .................................................................................................................. 221

    Figure 91 : (a) volution et (b) comparaison du couple mcanique ( )mec rC T selon la formule simplifie et la formule dtaille en fonction de la temprature d'quilibre des roulements rT et de la

    vitesse de rotation 0N .................................................................................................... 223

    Figure 92 : Bilan global des pertes dans les structures tudies .......................................................... 225

    Figure 93 : Schma lectrique quivalent d'une phase quelconque..................................................... 225

    Figure 94 : "Diagramme vectoriel harmonique" des structures tudies pour l'harmonique de rang u ... 226

  • Liste des figures.

    xi

    Figure 95 : Schma structurel correspondant aux grandeurs lectromcaniques dans les machines synchrones aimants permanents (MSAPs) monts en surface inducteur intrieur ou extrieur ........................................................................................................................ 230

    Chapitre 5 Conception optimale d'un prototype de machine synchrone aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur et Validation exprimentales : Figure 96 : Reprsentation gomtrique de la machine synchrone rapide de 500 W pour l'entranement

    d'un compresseur de piles combustible (PACs) : (a) Coupe tranversale, (b) Dtail d'une dent statorique et (c) Roulement de type rotule sur billes .......................................................... 238

    Figure 97 : Vues relles de la machine synchrone rapide de 500 W pour l'entranement d'un compresseurs de piles combustible : (a) Induit dente, (b) Inducteur (partie tournante), (c) Roulement de type rotule sur billes et (d) Globale .................................................................................. 239

    Figure 98 : Schma synoptique de l'alimentation en tension command en courant d'une machine synchrone aimants permanents (MSAP) ........................................................................ 240

    Figure 99 : Coupe tranversale du rsolveur "sin-cos" bipolaire (i.e., p =1) aimants permanents........ 245

    Figure 100 : Vue globale du rsolveur "sin-cos" bipolaire (i.e., p =1) aimants permanents : (a) Flux3D et

    (b) relle ........................................................................................................................ 245

    Figure 101 : Caractristique de transfert des capteurs effet Hall (Type SS 495 A) =alimV 5 V [196] 246

    Figure 102 : Tracs de (a) l'induction magntique captB 1 et de (b) la tension de sortie captv 1 au voisinage

    du Capteur 1 int .captr R= et a 20 C= T avec le logiciel d'lments finis Flux3D.......... 247

    Figure 103 : (a) Lignes de champ et (b) degrads de l'induction magntique, tracs avec le logiciel d'lments finis Flux3D, dans tout le dispositif de mesure de la position a 20 C= T et

    r 0 rad. = [(i) Vue globale, (ii) Partie 1, (iii) Partie 2 et (iv) Partie 3] ............................... 248

    Figure 104 : Schma synoptique de la gnration des courants d'alimentation des consignes .............. 249

    Figure 105 : Schma de principe de la rgulation (a) par modulation de largeur d'impulsion (MLI) et (b) par hystrsis.......................................................................................................... 251

    Figure 106 : Vue gnrale du banc d'essai (Les constituants lectromcaniques et lectroniques). ........ 252

    Figure 107 : Machine synchrone de 500 W optimise et dispositf de mesure de la position ................. 252

    Figure 108 : Caractristiques principales de la machine courant continu (MCC) : (a) la force lectromotrice et (b) les pertes collectives en fonction de la vitesse de rotation ................. 253

    Figure 109 : Onduleur de tension triphas........................................................................................ 254

    Figure 110 : Carte lectronique ddie la mesure des courants d'alimentation................................. 255

    Figure 111 : Carte lectronique ddie l'interfaage entre les parties lectromcaniques et lectroniques............................................................................................................... 255

    Figure 112 : Tension de sortie captv i dlivre du Capteur 1............................................................... 256

    Figure 113 : DSP TMS320C14-20MHz et PC pour le contrle et la commande avec l'outil dSPACE...... 257

    Figure 114 : Schma de principe de la commande et de contrle par hystrsis ................................. 258

    Figure 115 : Schma bloc partir de Matlab/Simulink de la commande et de contrle par hystrsis ..... 258

  • Liste des figures.

    xii

    Figure 116 : Tracs analytiques (avec et sans les effets d'extrmits), numrique et exprimental de la force lectromotrice induite dans la phase-A (i.e., g 0= ) la temprature a 20 C= T et la

    vitesse 0N 2 500 tr min= ............................................................................................ 259

    Figure 117 : Principe de la mthode HF (Hacheur 4Q & Tension et courant aux bornes d'une charge RL ) .. 261

    Figure 118 : Mesure de l'inductance propre d'une phase quelconque : (a) Charge RL (la phase-A) du hacheur 4Q. (b) Tension et courant aux bornes de la charge considre pour une frquence de 1 kHz ..................................................................................................................... 262

    Figure 119 : Mesure de l'inductance cyclique d'une phase quelconque : (a) Charge RL (la phase-A en srie avec la phase-B) du hacheur 4Q. (b) Tension et courant aux bornes de la charge considre pour une frquence de 1 kHz ...................................................................... 263

    Figure 120 : Mesure en uvre de la commande sur une charge passive de type RL (avec R 5= et

    L 3,6 mH= ) ................................................................................................................ 264

    Figure 121 : Trac des courants d'alimentation rels et de rfrence de la charge RL (avec R 5= et

    L 3,6 mH= ) ................................................................................................................ 264

    Figure 122 : Mesure en uvre de la commande sur le prototype de 500 W ....................................... 265

    Figure 123 : Trac des courants d'alimentation rels et de rfrence du prototype de 500 W............... 266

    Annexe A Interpolation numrique par une mthode non-linaire : Figure A.1 : Exemple d'interpolation par minimisation de l'erreur d'interpolation ................................. 276

    Annexe B Reprsentation des composantes radiale et tangentielle du vecteur induction rmanente des aimants permanents en srie de Fourier complexe : Figure B.1 : Reprsentation d'un aimant permanent avec une direction d'aimantation radiale .............. 278

    Figure B.2 : Distribution spatiale de la composante (a) radiale et (b) tangentielle du vecteur induction rmanente des aimants permanents, sous une paire de ples, pour l'aimantation radiale ........278

    Figure B.3 : Reprsentation d'un aimant permanent avec une direction d'aimantation parallle............ 280

    Figure B.4 : Distribution spatiale de la composante (a) radiale et (b) tangentielle du vecteur induction rmanente des aimants permanents, sous une paire de ples, pour l'aimantation parallle......280

    Annexe C Expression gnrale en srie de Fourier complexe de la rpartition spatio-temporelle des courants de l'induit : Figure C.1 : Bobinage triphas imbriqu pas raccourci de 5/6 avec cN 2= , q 2= et p 1= .............. 283

    Figure C.2 : Distribution spatiale de la r.c. d'une encoche isole ........................................................ 284

    Figure C.3 : Distribution spatiale de la r.c. d'une bobine quelconque.................................................. 285

    Figure C.4 : Distribution spatiale de la r.c. d'une phase une couche de conducteurs ......................... 286

    Figure C.5 : Distribution spatiale de la r.c. d'une phase cN couches de conducteurs ........................ 288

    Figure C.6 : Forme d'onde du courant d'alimentation : (a) sinusodale et (b) rectangulaire................... 290

  • Liste des figures.

    xiii

    Annexe G Expression analytique de l'paisseur maximale normalise d'aimant permanent par interpolation numrique : Figure G.1 : volution du ratio

    nor /maxah en fonction du ratio rI selon une direction d'aimantation (a)

    radiale ou (b) parallle pour (i) 1 p 12 et a 1 = & (ii) a0 1 et p 1= ................... 320

    Figure G.2 : Fonctions d'interpolation par rapport aux N points significatifs (a) de 1ki et (b) de 5k

    i en

    fonction de p selon les deux types d'aimantation (radiale ou parallle)............................. 322

    Figure G.2 : Fonctions d'interpolation par rapport aux N points significatifs (a) de 1ki et (b) de 5k

    i en

    fonction de p selon les deux types d'aimantation (radiale ou parallle)............................. 322

    Figure G.3 : Fonction d'interpolation par rapport aux N points significatifs (a) de 2ki , (b) de 6k

    i et (c) de

    7ki en fonction de a selon les deux types d'aimantation (radiale ou parallle)................ 324

    Annexe H Expression analytique du coefficient tridimensionnel par interpolation numrique :

    Figure H.1 : volution de la loi du gain de flux magntique ( ) ( )g ga 0 a 0s s

    , t , t i iT T en fonction des deux

    rapports a et s1 [46] et [76]....................................................................................... 328

    Figure H.2 : Fonction d'interpolation par rapport aux N points significatifs extraits de l'abaque [cf. Figure H.1] en fonction des deux rapports a et s1 .................................................. 328

    Figure H.3 : Fonctions d'interpolation par rapport aux N points significatifs (a) de 3

    k et (b) de 4k en

    fonction du rapport s1 ................................................................................................. 329

    Annexe J Caractristiques physiques, gomtriques et de fonctionnement de la machine synchrone rapide de 500 W pour l'entranement de compresseurs de piles combustible : Figure J.1 : Reprsentation gomtrique de la machine synchrone rapide de 500 W pour l'entranement

    d'un compresseur de piles combustible (PACs) : (a) Coupe tranversale, (b) Dtail d'une dent statorique et (c) Roulement de type rotule sur billes .......................................................... 341

    Figure J.2 : Vues relles de la machine synchrone rapide de 500 W pour l'entranement d'un compresseurs de piles combustible : (a) Induit dente, (b) Inducteur (partie tournante), (c) Roulement de type rotule sur billes et (d) Globale ........................................................ 342

    Annexe K Caractristiques physiques et gomtriques du rsolveur "sin-cos" aimants permanents : Figure K.1 : Coupe tranversale du rsolveur "sin-cos" bipolaire (i.e., p 1= ) aimants permanents ....... 349

    Figure K.2 : Vue globale du rsolveur "sin-cos" bipolaire (i.e., p 1= ) aimants permanents : (a) Flux3D et

    (b) relle ....................................................................................................................... 349

  • Liste des figures.

    xiv

  • Liste des tableaux.

    xv

    - LISTE DES TABLEAUX -

    Nomenclature : Tableau I : Abrviations ..................................................................................................................... xxi

    Tableau II : Notations principales .......................................................................................................xxii

    Tableau III : Indices......................................................................................................................... xxviii

    Tableau IV : Exposants .......................................................................................................................xxx

    Chapitre 1 Contexte et objectif de la thse : Tableau 1 : Les diffrents types de piles combustible (PACs) et leurs caractristiques [9]- [12] .............. 10

    Chapitre 2 Dveloppement d'un modle analytique pour les machines synchrones aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur : Tableau 2 : Grandeurs caractristiques compares de quelques aimants fritts..................................... 46

    Tableau 3 : Expressions analytiques de la fonction harmonique complexe v

    r /ra

    iK suivante la direction

    d'aimantation des aimants permanents. ........................................................................... 50

    Tableau 4 : Grandeurs caractristiques compares de deux matriaux ferromagntiques doux.............. 54

    Tableau 5 : Diffrents coefficients intervenant dans le coefficient de bobinage classique vbK ................ 57

    Tableau 6 : Paramtres dimensionnels principaux du bobinage triphas imbriqu ................................ 58

    Tableau 7 : Valeurs extrmes de l'erreur de calcul dans les diffrentes rgions suivant les trois approximations et les deux valeurs extrmes de a pour ra 1,05 = .................................. 79

    Tableau 8 : Passage d'une grandeur dans un rfrentiel lie l'inducteur une grandeur dans un rfrentiel lie l'induit.................................................................................................... 83

    Chapitre 3 Dtermination analytique des grandeurs locales et intgrales des machines synchrones aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur : Tableau 9 : Caractristiques physiques des matriaux magntiques considrs pour l'volution et la

    validation analytique-numrique des inductions magntiques en magntostatique............ 107

    Tableau 10 : Paramtres gomtriques principaux de la structure considre pour l'volution et la validation analytique-numrique des inductions magntiques en magntostatique. ......... 107

    Tableau 11 : Influence de a et de p sur les rseaux de ratios ( )maxr , rI II suivante le type d'aimantation ...119

    Tableau 12 : Coefficients d'interpolation jha

    ki intervenants dans l'paisseur maximale normalise d'aimant

    permanent nor /maxah suivant le type d'aimantation......................................................... 122

  • Liste des tableaux.

    xvi

    Tableau 13 : Comparaison des calculs analytique et numrique (Flux2D) de l'induction magntique totale dans l'induit dent diffrents endroits et l'instant 0t pour les types d'aimantation ....... 162

    Chapitre 4 Modlisation lectromcanique des machines synchrones aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur et Estimation des pertes : Tableau 14 : Grandeurs caractristiques physiques du cuivre............................................................. 186

    Tableau 15 : Valeur des coefficients Fouck ind et Hystk ind intervenant dans le calcul des pertes

    lectromagntiques ..................................................................................................... 194

    Tableau 16 : Indication sur la qualit de fonctionnement d'un roulement ............................................ 222

    Chapitre 5 Conception optimale d'un prototype de machine synchrone aimants permanents sans pices polaires inducteur intrieur et Validation exprimentales : Tableau 17 : Comparatif des dispositifs ddis la fonction de mesure de la position ........................ 244

    Tableau 18 : Caractristiques principales de la machine courant continu (MCC) servant de charge la machine synchrone rapide ........................................................................................... 253

    Tableau 19 : Tension de sortie dlivre par les capteurs effet Hall ................................................... 256

    Tableau 20 : Caractristiques analytiques et exprimentales de la force lectromotrice induite dans la phase-A (i.e., g 0= ) de la machines synchones de 500 W sur une plage de fonctionnement

    allant de 0 3 000 tr/min ........................................................................................... 260

    Tableau 21 : Mesure de la rsistance du bobinage de l'induit ............................................................ 260

    Tableau 22 : Mesure de l'inductance propre de la phase-A (i.e., g 0= ) sur une plage de frquence allant

    de 0 10 kHz ............................................................................................................. 262

    Tableau 23 : Mesure de l'inductance cyclique de la phase-A (i.e., g 0= ) sur une plage de frquence allant

    de 0 10 kHz ............................................................................................................. 263

    Tableau 24 : Essais prliminaires en charge de la machine synchrone rapide de 500 W ..................... 265

    Annexe G Expression analytique de l'paisseur maximale normalise d'aimant permanent par interpolation numrique :

    Tableau G.1 : Valeurs numriques de l'erreur inti et des coefficients ik

    i d'interpolation par rapport p

    pour a 1 = selon les deux types d'aimantation (radiale ou parallle) ............................. 321

    Tableau G.2 : Valeurs numriques de l'erreur inti et des coefficients 7k

    i et iha

    ki d'interpolation pour les fonctions

    d'interpolation de ( )1ha

    pif et de ( )2

    7ha k ,pi if selon les deux types d'aimantation (radiale ou

    parallle).................................................................................................................................. 322

    Tableau G.3 : Valeurs numriques de l'erreur inti et des coefficients ik

    i d'interpolation par rapport a

    pour p 1= selon les deux types d'aimantation (radiale ou parallle) ............................... 323

    Tableau G.4 : Valeurs numriques de l'erreur inti et des coefficients

    ihaki d'interpolation pour les fonctions

    d'interpolation de ( )1

    aha gi , ( )

    2aha g

    i et ( )3

    aha ig selon les deux types d'aimantation

    (radiale ou parallle) ................................................................................................... 324

  • Liste des tableaux.

    xvii

    Annexe H Expression analytique du coefficient tridimensionnel par interpolation numrique : Tableau H.1 : Valeurs numriques de l'erreur int et des coefficients jk d'interpolation par rapport s1 ..... 328

    Tableau H.2 : Valeurs numriques de l'erreur int et des coefficients jk d'interpolation pour les fonctions

    d'interpolation de ( )1 s1 f et ( )2 s1 f ....................................................................... 329

    Annexe J Caractristiques physiques, gomtriques et de fonctionnement de la machine synchrone rapide de 500 W pour l'entranement de compresseurs de piles combustible : Tableau J.1.a : Caractristiques physiques des aimants permanents (Nodyme-Fer-Bore : N 30H avec une

    aimantation Parallle).............................................................................................. 342

    Tableau J.1.b : Caractristiques physiques de la culasse rotorique (Acier ordinaire Id 35 cd4) ............. 343

    Tableau J.1.c : Caractristiques physiques du cuivre du bobinage de l'induit....................................... 343

    Tableau J.1.d : Caractristiques physiques des tles ferromagntiques grains non orients et lamines froid (Alliage fer-silicium : Fev 250-35 HA) ............................................................... 343

    Tableau J.1.e : Caractristiques physiques des roulements rotules sur billes (108 TN 9) lubrifis la graisse LGLT 2 de la socit SKF .............................................................................. 343

    Tableau J.2.a : Caractristiques gomtriques gnrales ................................................................... 344

    Tableau J.2.b : Caractristiques gomtriques de l'inducteur (ou de la partie tournante)...................... 344

    Tableau J.2.c : Caractristiques gomtriques du stator dent............................................................ 344

    Tableau J.2.d : Caractristiques gomtriques du bobinage de l'induit dent. ..................................... 345

    Tableau J.2.e : Caractristiques gomtriques des roulements rotules sur billes (108 TN 9) lubrifis la graisse LGLT 2 de la socit SKF. ............................................................................. 345

    Tableau J.3.a : Paramtres magntiques dans la machine synchrone rapide de 500 W....................... 346

    Tableau J.3.b : Paramtres lectriques dans la machine synchrone rapide de 500 W.......................... 346

    Tableau J.3.c : Paramtres mcaniques dans la machine synchrone rapide de 500 W ........................ 347

    Tableau J.3.d : Paramtres lectromagntiques dans la machine synchrone rapide de 500 W............. 347

    Annexe K Caractristiques physiques et gomtriques du rsolveur "sin-cos" aimants permanents : Tableau K.1 : Caractristiques physiques des matriaux magntiques considrs pour le rsolveur "sin-

    cos" bipolaire aimants permanents .......................................................................... 350

    Tableau K.2 : Caractristiques gomtriques du rsolveur "sin-cos" bipolaire aimants permanents .... 350

    Tableau K.3 : Caractristiques principales des capteurs effet Hall (Type SS 495 A) [196] .................. 351

  • Liste des tableaux.

    xviii

  • Avant-propos.

    xix

    - AVANT-PROPOS -

    ce jeu des remerciements, il est impossible de ne pas oublier des noms. Je voudrais prsenter d'avance mes excuses ceux qui pourraient alors subir les affres de l'oubli.

    Le travail prsent dans ce mmoire de thse a t effectu dans L'quipe Machines lectriques (EME), sous la responsabilit de Monsieur le Professeur Abdellatif MIRAOUI, au sein du laboratoire de recherche en lectronique, lectrotechnique et Systme (L2ES), Unit mixte de recherche de l'Universit de Technologie de Belfort-Montbliard (UTBM) et de l'Universit de Franche-Comt (UFC) EA 3898, sous la direction de Monsieur le Professeur minent Jean-Marie KAUFFMANN.

    Je tiens tout d'abord exprimer mes reconnaissances Monsieur Abdellatif MIRAOUI pour la confiance qu'il m'a tmoign tout au long de cette tude.

    Je tiens galement exprimer mes plus vifs et profonds remerciements Monsieur Jean-Marie KAUFFMANN pour les aides prcieuses tant sur le plan scientifique que sur le plan humain et pour la confiance qu'il m'a accorde en m'accueillant dans le laboratoire.

    Que Monsieur Christophe ESPANET, Matre de Confrences HDR l'UFC de Belfort (90), trouve travers ces quelques lignes l'expression de mes remerciements pour avoir accept d'encadrer ce travail et pour son suivi rgulier aussi bien pour la thse que pour le monitorat. Je le prie de trouver ici un tmoignage de ma reconnaissance et de ma sympathie pour ses prcieux conseils, pour son soutien et son encouragement constant ainsi que le climat de confiance dans lequel il fut trs agrable de travailler durant ces quatre annes. Ses fortes comptences scientifiques ainsi que sa volont permanente de partager son exprience et son savoir furent particulirement enrichissantes et constructives pour moi. Qu'il sache finalement que je suis particulirement honor de l'avoir connu.

    Je suis trs honor de la participation au jury de Monsieur Adel RAZEK, Directeur de Recherches CNRS au Laboratoire de Gnie lectrique de Paris (LGEP). Je tiens le remercier pour avoir accept de prsider la commission d'examen.

    J'exprime ma profonde gratitude Monsieur Laurent KRHENBHL, Directeur de Recherches CNRS l'cole Centrale de Lyon (69), ainsi qu' Monsieur Mohamed GABSI, Matre de Confrences HDR au Satie Cachan (94), pour avoir accept d'tudier et de corriger ce travail. Qu'ils sachent que je suis particulirement sensible l'honneur qu'ils m'ont fait d'tre rapporteurs de ce mmoire.

    Je tiens remercier Messieurs Bernard DAVAT, Professeur des Universits Vanduvre-ls-Nancy (54), Christophe ESPANET, Matre de Confrences HDR l'UFC de Belfort (90), et Abdellatif MIRAOUI, Professeur des Universit l'UTBM de Belfort (90), pour avoir bien voulu examiner ce mmoire.

    Je terminerai en remerciant chaleureusement toutes les personnes avec lesquelles j'ai eu le plaisir de travailler, soit pour leur contribution la progression de nos recherches, soit pour nos discussions conviviales ou relations amicales. Merci tous d'avoir t prsents.

    Pour le COURAGE et la VOLONT de mon pre et de ma mre.

  • Avant-propos.

    xx

  • Nomenclature.

    xxi

    - NOMENCLATURE -

    La nomenclature se dcomposera en quatre tableaux : les abrviations, les notations principales, les indices et les exposants. L'exemple ci-dessous permet de clarifier l'utilisation des trois derniers tableaux :

    ( )rs a rB ,r,IR T : Composante radiale de l'induction magntique en magntostatique dans la Rgion I (l'entrefer fictif) avec une aimantation radiale. Elle dpend de la temprature de fonctionnement des aimants permanents, de la position radiale et de la position angulaire mcanique de l'inducteur.

    Notations principales : B : Induction magntique d'un matriau magntique.

    T : Temprature de fonctionnement.

    r : Position radiale.

    r : Position angulaire mcanique de l'inducteur ( =r 0 rad. est

    au centre d'un aimant Nord).

    Indices : j : Rgions concentriques : I Rgion I (l'entrefer fictif), II Rgion II (la couronne aimante) et III Rgion III (la culasse rotorique).

    s : Magntostatique.

    a : Aimants permanents.

    Exposants : r : Composante radiale.

    i : Direction d'aimantation (R : Radiale ou P : Parallle).

    Tableau I : ABRVIATIONS.

    Sigles Dsignations 2D Deux Dimensions (ou bidimensionnels).

    3D Trois Dimensions (ou tridimensionnels).

    4Q Quatre Quadrants.

    AC Alternative Current.

    AFC(s) Alkaline Fuel Cell(s).

    APU Auxiliary Power Unit.

    CAN Convertisseur Analogique Numrique.

    CAO Conception Assiste par Ordinateur.

    DC Direct Current.

    DEL Diode lectro-Luminescente.

    ECCE valuation des Composants d'une Chane lectrique

    ED(s) quation(s) Diffrentielle(s).

    EDP(s) quation(s) aux Drives Partielles.

  • Nomenclature.

    xxii

    EME quipe Machines lectriques.

    Fe Aimants base de Ferrite.

    f.e.m.(s). force(s) lectromotrice(s) induite(s) dans une (les) phase(s) quelconque.

    f.m.m. force magntomotrice produite par un bobinage quelconque.

    GE Gnie lectrique.

    HF Haute Frquence.

    IAT Inverse d'Arc Tangente.

    IGBT(s) Insulated Gate Bipolare Transistor(s).

    INRETS Institut National de Recherche sur les Transports et leur Scurit.

    L2ES Laboratoire d'lectronique, lectrotechnique et Systmes.

    LEEI Laboratoire d'lectrotechnique et d'lectronique d'Industrielle.

    LEGP Laboratoire de Gnie lectrique de Paris.

    MCC Machine Courant Continu.

    MCFC(s) Molten Carbonate Fuel Cell(s).

    MEF Mthode des lments Finis.

    MLI Modulation de Largeur d'Impulsion.

    MSAP(s) Moteurs (ou Machines) Synchrones Aimants Permanents.

    Nd-Fe-B Nodyme-Fer-Bore (Aimants permanents base de terres rares).

    OEP Optimisation par Essaims Particulaires.

    PAC(s) Pile(s) Combustible.

    PAFC(s) Phosphoric Acid Fuel Cell(s).

    PWM Pulse Width Modulation.

    PEMFC(s) Proton Exchange Membrane Fuel Cell(s).

    r.c. rpartition des courants de l'induit produite par un bobinage quelconque.

    Sm-Co Samarium-Cobalt (Aimants permanents base de terres rares).

    SOFC(s) Solide Oxyde Fuel Cell(s).

    SQP Programmation Quadratique Squentielle.

    UFC Universit de Franche-Comt.

    UTBM Universit de Technologie de Belfort-Montbliard.

    Tableau II : NOTATIONS PRINCIPALES.

    Notations spciales Symboles Dsignations 1, 2,,19 Numrotation. , a , b ,,e Coefficients. f , g , h , x , y , C , X et Y Fonctions gnrales ou particulires.

    A, B,, F Constantes d'intgration.

    ' et '' Drives premire et seconde d'une fonction.

    Corrig par le coefficient de Carter classique cK . Complexe.

  • Nomenclature.

    xxiii

    Conjugu d'un nombre complexe.

    Vecteur.

    Valeur absolue.

    [ ] Matrice ou vecteur. Laplacien.

    Notations latines Symboles Units Dsignations a [] Coefficient de rglage de coude d'un matriau ferromagntique doux (compris

    entre 0 et 0,5). A [ T m ] Potentiel vecteur magntique d'un milieu magntique.

    A [ T m ] Amplitude du potentiel vecteur magntique d'un milieu magntique. A [] Sources du champ lectromagntique intervenant dans les systmes de Cramer.

    b [m] Largeur.

    B [T] Induction magntique d'un milieu magntique.

    B [T] Amplitude de l'induction magntique d'un milieu magntique. B [] Structurelle des conditions aux limites intervenant dans les systmes de Cramer.

    mB [T] Induction magntique des aimants permanents correspondant ( )maxBH par rapport la droite de charge .

    matb [] Valeur rduite de l'induction magntique matB ramene sur un Tesla.

    rB [T] Induction rmanente d'un matriau magntique.

    rB [T] Amplitude de l'induction rmanente d'un matriau magntique.

    crB [T] Induction rmanente corrige d'un matriau magntique.

    ( )maxBH [ 3kJ m ] nergie volumique (ou valeur nergtique) maximale des aimants permanents.

    C [ N m] Couple.

    C [m] Contour. C [] Constantes d'intgration intervenant dans les systmes de Cramer.

    emC [ N m] Couple lectromagntique des structures tudies.

    em0C [ N m] Composante continue du couple lectromagntique.

    em0C [] Amplitude du couple lectromagntique des structures tudies. mC [] Rpartition spatiale des bobines.

    mC [] Amplitude de la rpartition spatiale des bobines. CO [] Oxyde de carbone.

    2CO [] Dioxyde de carbone. Cp [] Comparaison.

    d [] Diamtre rduit.

    iD [m] Diamtre de giration du i lment correspondant la partie tournante.

    D [m]

    [ 2C m ] Diamtre. Induction (dplacement) lectrique.

    e [m] Entrefer rel des structures tudies.

    e [] lectrons.

    ae [m] Entrefer rel agrandi (ou entrefer efficace).

  • Nomenclature.

    xxiv

    te [m] paisseur des tles statoriques.

    E [ V m ] [V]

    Champ lectrique. Valeur efficace de la f.e.m.

    E [ V m ] Amplitude du champ lectrique.

    F [N] Effort d'une charge soumis un roulement rotules sur billes.

    0f [Hz] Frquence du synchronisme (ou de fonctionnement).

    50f [Hz] Frquence 50 Hz.

    eF [V] Force lectromotrice.

    eF [V] Amplitude de la f.e.m.

    h [m] Hauteur/paisseur.

    H [A/m] Champ magntique d'un milieu magntique.

    H+ [] Protons d'hydrogne.

    2H [] Hydrogne.

    2H O [] Eau.

    H [A/m] Amplitude du champ magntique d'un milieu magntique. BcH [A/m] Champ coercitif d'un matriau magntique annulant l'induction magntique. JcH [A/m] Champ coercitif intrinsque d'un matriau magntique. 0.9kH [A/m] Champ de rigidit limite de l'aimant permanent.

    mH [A/m] Champ magntique des aimants permanents correspondant ( )maxBH par rapport la droite de charge .

    i [A] Courant d'alimentation quelconque de consigne.

    i [A] Courant d'alimentation quelconque.

    I [A] Valeur efficace du courant d'alimentation de forme d'onde sinusodale.

    I [A] Amplitude du courant d'alimentation quelconque. ( )I [] Fonction de Bessel modifie de premire espce d'ordre .

    j [] Oprateur complexe (indice complexe de rotation de 2 ). J [T]

    [ 2kg m ]

    Polarisation magntique d'un matriau magntique. Moment d'inertie.

    iJ [T] Polarisation propre au matriau magntique. mJ [A/m] Densit linique de courant spatio-temporelle produite par les m phases du

    bobinage d'induit.

    mJ , mJ [A/m] Amplitude de la densit linique de courant spatio-temporelle produite par les m phases du bobinage d'induit.

    rJ [T] Polarisation rmanente d'un matriau magntique.

    sJ [2A m ] Densit surfacique de courant "par courants de Foucault".

    sJ [

    2A m ] Amplitude de la densit surfacique de courant spatio-temporelle par courants de Foucault.

    ms

    J [2A m ] Densit surfacique de courant spatio-temporelle produite par les m phases du

    bobinage d'induit.

    msJ [ 2A m ] Amplitude de la densit surfacique de courant spatio-temporelle produite par les m phases du bobinage d'induit.

    k , k [] Coefficient ou fonction gomtrique d'un ensemble quelconque.

    K [] Coefficient ou fonction.

  • Nomenclature.

    xxv

    ( )K [] Fonction de Bessel modifie de deuxime espce d'ordre . bK [] Coefficient de bobinage classique. bK [] Coefficient de bobinage effectif.

    rBK [] Coefficient de correction de l'induction rmanente d'un matriau magntique.

    cK [] Coefficient de Carter classique.

    K [] Coefficient de rduction de largeur d'encoche.

    fk [] Coefficient de foisonnement des tles ferromagntique du stator.

    ik [] Coefficient d'interpolation des diffrentes fonctions permettant de caractriser la loi de gain de flux.

    ihk [] Coefficient d'interpolation des diffrentes fonctions permettant de caractriser un matriau ferromagntique doux.

    i3Dk [] Coefficient d'interpolation des diffrentes fonctions permettant de caractriser les phnomnes tridimensionnels (coefficient tridimensionnel 3DK ).

    ihak [] Coefficient d'interpolation des diffrentes fonctions permettant de caractriser l'paisseur maximale normalise d'aimant permanents.

    iNk [] Coefficient d'interpolation des valeurs numriques du coefficient tridimensionnel

    3DK .

    rK [] Coefficient de l'induction rmanente d'un matriau magntique.

    strk [] Coefficient des topologies ( strk 1= pour un inducteur intrieur et strk 1= pour un

    inducteur extrieur).

    L [m] [H]

    Longueur totale ou relle. Inductance.

    L [H] Amplitude de l'inductance.

    m [] Nombre de phases. M [A/m]

    [kg] Aimantation magntique d'un matriau magntique. Masse totale.

    iM [kg] Masse du i lment correspondant la partie tournante.

    N [] Nombre total.

    0N [tr/min] Vitesse de rotation (ou de fonctionnement).

    1N [] Diffrence entre le pas diamtral et le pas de bobinage de la premire couche.

    2N [] Nombre d'encoches de dcalage entre deux couches conscutives.

    cN [] Nombre de couches de conducteurs dans une encoche.

    esN [] Nombre total d'encoches (ou de dents) au stator. nis&d [] Numro de l'ensemble isthmes-dent par rapport s 0 rad. = (compte positif

    dans le sens trigonomtrique) Nz [] Nombre total de zones d'tude.

    xNO [] Oxyde d'azote.

    2O [] Oxygne.

    p [] [W]

    Nombre de paires de ples. Pertes ou puissances instantanes.

    P [W] Pertes ou puissances moyennes.

    x / ytP [W] Pertes massiques totales vide en fonction de la frquence de fonctionnement x et de l'induction magntique maximale y.

    q [] Nombre d'encoches par ple et par phase.

  • Nomenclature.

    xxvi

    qm [g/s] Dbit massique.

    r [m] [%] [ ]

    Position radiale. Ratio adimensionnel. Rsistance de l'induit d'une machine courant continu.

    R [m] [ ]

    Rayon. Rsistance.

    cR [A] Amplitude de la r.c. produite par les m phases du bobinage de l'induit. cR [m] Rayon de la position radiale d'un conducteur centr.

    filR [ ] Rsistance de fils de connexion.

    S [ 2m ] Surface.

    t [s] Temps.

    T [s] Priode d'un signal quelconque. T [K] Temprature de fonctionnement.

    0t [s] Instant t gal une valeur impose.

    u [] Harmoniques temporelles.

    0U [V] Tension d'alimentation du hacheur 4Q.

    ru [] Vecteurs unitaires de la composante radiale du vecteur induction rmanente.

    u [] Vecteurs unitaires de la composante tangentielle du vecteur induction rmanente.

    v [] [V]

    Harmoniques spatiaux. Tension d'alimentation.

    V [V] Potentiel scalaire lectrique. V [V] Amplitude de la tension d'alimentation. V [ 3m ]

    [V] Volume. Valeur efficace de la tension d'alimentation.

    eW [J] nergie emmagasine.

    eW [J] Amplitude de l'nergie emmagasine.

    y [] Pas.

    Notations grecques Symboles Units Dsignations [m]

    [%] paisseur de peau. Coefficient d'arc polaire.

    fr [] Coefficient de friction variant selon le type de roulement.

    [%] Rapport d'un diamtre quelconque sur la longueur du fer statorique.

    [] Susceptibilit magntique absolue d'un milieu magntique.

    r [] Susceptibilit magntique relative d'un milieu magntique.

    [m] [rad.]

    Profondeur de peau. Angle lectrique de charge (ou l'angle interne) entre la f.e.m. et la tension d'alimentation.

    c [A] Rpartition des courants de l'induit produite par les m phases d'un bobinage imbriqu plusieurs couches.

    emC [Nm] Composante alternative du couple lectromagntique. X [%/K] Variation de X lorsque la temprature T slve de 1 K.

  • Nomenclature.

    xxvii

    [%] [F/m]

    Erreur. Permittivit absolue d'un matriau dilectrique.

    0 [F/m] Permittivit du vide.

    r [] Permittivit relative d'un matriau dilectrique.

    [Wb] Flux magntique totalis ou principal.

    [%] Rapport d'une longueur quelconque sur la longueur du fer statorique.

    [%] Rendement.

    [Wb] Amplitude du flux magntique totalis ou principal. [rad.] Dphasage harmonique du courant par rapport la tension d'alimentation.

    [] Droite de charge.

    [H/m] Permabilit magntique absolue d'un milieu magntique.

    0 [H/m] Permabilit du vide.

    d [H/m] Permabilit magntique diffrentielle de l'aimant permanent.

    r [] Permabilit magntique relative d'un milieu magntique.

    [m/H] Rluctivit absolue d'un matriau magntique.

    [ 2m s ] Viscosit cinmatique d'un lubrifiant.

    [ 3C m ] Densit volumique de charge lectrique.

    r [ m ] Rsistivit lectrique d'un matriau lectromagntique.

    v [3kg m ] Masse volumique.

    [%] Ratio adimensionnel.

    r [%] Taux de remplissage du bobinage.

    [S/m] Conductivit lectrique d'un matriau lectromagntique.

    ( ) [rad.] Angle ou position angulaire mcanique (lectrique) avec = p .

    r ( )r [rad.] Position angulaire mcanique (lectrique) de l'inducteur ( =r 0 rad. est au centre d'un aimant Nord) avec = r rp .

    rs [rad.] Angle mcanique tout instant que fait l'axe r 0 rad. = d'un repre li

    l'inducteur par rapport l'axe s 0 rad. = d'un repre li l'induit.

    rs0 [rad.] Valeur de rs l'instant t 0 s= .

    s ( )s [rad.] Position angulaire mcanique (lectrique) de l'induit ( =s 0 rad. est au centre de la phase-A) avec = s sp .

    x [rad.] Angle mcanique de dcalage entre le centre de l'ouverture angulaire quelconque 12 et l'axe de rfrence de l'induit (i.e., s 0 rad. = ).

    0 [rad./s] Pulsation lectrique du synchronisme.

    50 [rad./s] Pulsation lectrique une frquence 50f de 50 Hz.

    0 [rad./s] Pulsation mcanique du synchronisme.

    [rad.] Dphasage harmonique du courant d'alimentation par rapport la f.e.m.

    [%] Coefficient d'arc dentaire.

  • Nomenclature.

    xxviii

    Tableau III : INDICES.

    Symboles Dsignations 0 Ambiante correspondant 20 C.

    Basse frquence.

    2dc Dcalage entre deux couches conscutives.

    3D Tridimensionnel.

    a Aimants permanents (ou aimants permanents adjacents l'entrefer). Axiale. Absorbe.

    act Partie active.

    air Air.

    anal Analytique.

    b Bobine (ou bobinage classique). Bague.

    b1 Bobinage de la premire couche.

    c Cyclique.

    capt Capteur ou sonde effet Hall.

    Cem Couple lectromagntique.

    cfa Cale de fermeture amagntique.

    col Collective.

    cond, cond Conducteur dans l'encoche. cu Cuivre.

    Cu Curie.

    cr Culasse rotorique.

    cs, cs Culasse statorique. cyl Cylindr.

    d Magntodynamique. Dent (ou fond de l'encoche au pied des isthmes de la dent). Dnominateur.

    dist Distribution du bobinage classique.

    e Encoche (ou haut de l'encoche).

    e1 Basse de l'encoche.

    e2 Haute de l'encoche.

    em lectromagntique. exc Excitation.

    ext. Extrieur.

    f0 Frottement intrinsque.

    f1 Frottement d la charge.

    f Frquence leve. Frottement.

    fcu Fils de cuivre ronds.

    Fe Force lectromotrice.

    Fer Fer.

    Fouc, F Courants de Foucault.

  • Nomenclature.

    xxix

    Flux magntique totalis ou principal.

    g Numro des phases du courant d'alimentation (pour la phase-A : g 0= , pour la phase-B : g 1= et pour la phase-C : g 2= ).

    ha paisseur d'aimant permanent.

    Hyst Hystrsis.

    i Forme d'onde du courant d'alimentation.

    inc Vrillage ou inclinaison des dents. ind Induit dent.

    int Interpolation.

    int. Intrieur.

    is Isthme de la dent.

    is1 Isthmes de la dent adjacents l'ouverture d'encoche (ou basse de l'isthme de la dent).

    is2 Isthmes de la dent adjacents l'encoche (ou haute de l'isthme de la dent). is & d Ensemble isthmes-dent.

    isol. Isole.

    j Rgions concentriques : I Rgion I (l'entrefer fictif), II Rgion II (la couronne aimante) et III Rgion III (la culasse rotorique).

    J Effet Joule.

    L Inductance.

    m Mutuelle.

    mat Matriau ferromagntique doux (mat sta= : tles statoriques et mat rot= : acier rotorique).

    max Maximal.

    min Minimal.

    mec Mcanique d au frottement dans les roulements.

    mes Mesure (exprimentation).

    moy Moyen.

    mot Moteur.

    n Numrateur.

    Nc cN couches de conducteurs.

    Nc1 Une couche de conducteurs.

    nom Nominale.

    nor Normalise.

    oa Ouverture des aimants permanents.

    ob Ouverture du bobinage classique.

    od Ouverture dentaire.

    oe Ouverture d'encoche.

    op Ouverture polaire.

    p Polaire. Propre.

    P Pertes ou puissances moyennes.

    PAC Pile combustible.

  • Nomenclature.

    xxx

    pt Partie tournante (ou inducteur).

    quelc. Quelconque.

    r Roulement. Radiale

    r1 Rotor adjacent au vide.

    r2 Rotor adjacent aux aimants permanents.

    rot Rotor.

    En prenant en compte les conductivits lectriques des matriaux lectromagntiques (i.e., des aimants permanents et de la culasse rotorique).

    En ngligeant les conductivits lectriques des matriaux lectromagntiques (i.e., des aimants permanents et de la culasse rotorique).

    s Magntostatique. Supplmentaire.

    s1 Stator adjacent l'entrefer rel.

    s2 Stator adjacent au vide.

    sat Saturation.

    sp Spire par bobine.

    spp Spires en srie par phase.

    sta Stator.

    SP Solution particulire.

    SP1 Premire solution particulire.

    SP2 Deuxime solution particulire.

    SSM Sans second membre. SYSPAC Systme Pile combustible (ou groupe lectrogne PAC).

    tb Tte de bobine d'un conducteur.

    tb1 Premire partie de la tte de bobine d'un conducteur.

    tb2 Deuxime partie de la tte de bobine d'un conducteur.

    tot Totale.

    u Harmoniques temporelles.

    v Harmoniques spatiaux. Tension d'alimentation.

    vp Voie de bobinage en parallle (ou circuits en parallle).

    We nergie emmagasine.

    iz Zones d'tude ( 1z : Zone 1, 2z : Zone 2 et 3z : Zone 3)

    Tableau IV : EXPOSANTS.

    Symboles Dsignations i Direction d'aimantation (R : Radiale ou P : Parallle).

    r Composante radiale.

    Composante tangentielle.

    z Composante axiale.

  • Version abrge.

    xxxi

    - VERSION ABRGE -

    Sujet de thse : Conception d'un moteur rapide aimants permanents pour l'entranement de compresseurs de piles combustibles.

    Encadrement : Abdellatif MIRAOUI (PR) et Christophe ESPANET (MCF HDR).

    Discipline : Gnie lectrique (GE).

    Mots-cls : Machines synchrones aimants permanents (MSAPs), Haute vitesse, Prototype de 500 W pour l'entranement de compresseurs de piles combustible (PACs), Rsolveur aimants permanents, Modlisation analytique et numrique, Conception et Optimisation

    Rsum : Les activits du Laboratoire de recherche en lectronique, lectrotechnique et Systmes (L2ES) sont

    dans le champ des transports que ce soit pour la gnration d'nergie au moyen de PACs ou pour la chane de traction. Les travaux de recherche, dans ce dernier domaine, portent essentiellement sur les MSAPs entranement direct lent du type synchrone avec balais ou autopilot commande trapzodale ou sinusodale.

    L'objectif consiste maintenant orienter les recherches vers les actionneurs vitesse leve. Une application importante concerne l'entranement de compresseurs pour le systme PAC. Des tudes menes au L2ES ont montr que les turbocompresseurs constituaient une solution intressante pour limiter la taille et la puissance absorbe.

    Nous proposons dans cette thse de mettre au point une mthodologie de conception de MSAPs monts en surface vitesse leve en vue de leur optimisation en prenant en considration les contraintes magntiques, lectriques et thermiques. Cette mthodologie prend en compte des contraintes spcifiques de la grande vitesse, et notamment les pertes lectromagntiques dans la partie tournante induites par la frquence leve d'alimentation. Les pertes magntiques dans l'induit dent cres par une aimantation radiale ou parallle des aimants permanents sont galement modlises. En effet, deux modles analytiques complexes (magntostatique et magntodynamique) ont t dvelopps pour prdire ces pertes fer significatives dans les MSAPs sans pices polaires inducteur intrieur ou extrieur. La mthode est gnrale, parce qu'elle est base sur le calcul de champ lectromagntique bidimensionnel (2D) en coordonnes polaires (rsolution des quations de Laplace/Poisson/Diffusion). L'analyse prend en compte les notions de courbures, les harmoniques de temps et d'espace de la rpartition des courants de l'induit produite par un bobinage quelconque, l'effet du champ de raction d'induit par courant de Foucault, et enfin diffrentes configurations de bobinages statoriques ("gnralisation" des bobinages) ainsi que deux types d'aimantation (radiale et parallle). L'hypothse principale consiste dans le fait que l'on nglige la variation de permance due au stator dent. Les contraintes mcaniques ont t traites en liaison avec le mcanicien de la socit NOVELTE Systme de Belfort (90).

    La MSAP ralise tourne 10 000 tr/min avec un rsolveur analogique "sin-cos" aimants permanents constitu de capteurs effet Hall. Le moteur construit servira de base de validation dans la zone de vitesse concerne (i.e., de 0 10 000 tr/min).

  • Version abrge.

    xxxii

  • I. Cadre gnral de la thse et remarques prlimaires.

    1

    - INTRODUCTION GNRALE -

    I. Cadre gnral de la thse et remarques prlimaires La structuration de la recherche dans le Nord Franche-Comt a conduit la cration du Laboratoire

    d'lectronique, lectrotechnique et Systmes (L2ES) en tant qu'unit de l'Universit de Franche-Comt (UFC) et de l'Universit de Technologie de Belfort-Montbliard (UTBM), associe l'Institut National de Recherche sur les Transports et leur Scurit (INRETS). Une partie importante des activits est tourne vers les transports, que ce soit pour la gnration d'nergie au moyen de piles combustible (PACs) ou pour la chane de traction.

    Les travaux de recherche dans le domaine des machines lectriques portent essentiellement sur les machines aimants permanents (MSAPs) entranement direct lent du type synchrone avec balais ou autopilot commande trapzodale ou sinusodale. Une mthodologie efficace (prenant en compte des contraintes thermiques, magntiques et mcaniques) pour optimiser ce type de machines lectriques tournantes a t dveloppe au sein de cette quipe [1]- [6]. Parmi les ralisations, on peut citer :

    - un moteur intgr l'hlice d'un groupe moto-ventilateur (GMV) baptis MAELIS ; - un moteur-roue d'assistance au pdalage (250 W/30 Nm) ; - un moteur-roue arceaux de 2 kW et un deuxime de 30 kW ; - ou encore un moteur-roue pour le banc d'valuation des Composants d'une Chane

    lectrique (ECCE) de 30 kW avec un couple de 6 000 Nm.

    L'objectif est maintenant de monter en vitesse et, par consquent, de concevoir des actionneurs lectriques vitesse leve. En effet, tous les moteurs dj raliss sont des MSAPs lents. Les machines lectriques rapides, voire trs rapides, sont utilisables dans une chane de traction et dans ce cas il faut insrer un rducteur. Ceci ne se justifie que pour les trs forts couples. Une autre application importante concerne l'entranement de compresseurs pour le systme PAC. Des tudes menes au laboratoire L2ES ont montr que les moto-compresseurs ou les turbocompresseurs haute vitesse (i.e., ayant une vitesse de rotation suprieure ou gale 10 000 tr/min) permettrent, d'une part, d'augmenter le rendement de compression (en diminuant les pertes mcaniques et en