ENSC-(n dordre) THESE DE DOCTORAT Prsente par Monsieur NGUYEN Phi-Hung Pour obtenir le grade deDOCTEUR DE LECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Domaine : GENIE ELECTRIQUE Sujet de thse : Impacts des modles de pertes sur loptimisation sur cycle dun ensemble convertisseur machine synchrone. Applications aux vhicules hybrides Thse prsente et soutenue Cachan le 30 Novembre 2011 devant le jury compos de : M. Frdric WURTZM. Frdric GILLONM. Mohamed BOUSSAK M. Mohamed El Hachemi BENBOUZID M. Noureddine TAKORABET M. Mohamed GABSIM. Emmanuel HOANGDirecteur de recherche CNRS, HdR Matre de Confrences, HdR Enseignant-Chercheur, HdR Professeur des Universits Professeur des Universits Professeur des Universits Professeur Agrg Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de thse Encadrant Laboratoire SATIE ENS CACHAN / CNRS / UMR 8092 61, avenue du Prsident Wilson, 94235 Cachan Cedex, France tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012Remerciements LestravauxdethseprsentsdanscemmoireonttralissaulaboratoireSATIE (SystmesetApplicationsdesTechnologiespourlInformationetlEnergie)delEcole Normale Suprieure de Cachan, dans le cadre du projet national de lANR : PREDIT MEEI (ProgrammesdeREchercheetDInnovationsurlesTransportsterrestresMachines Electriques et Electronique Intgre). JetiensremerciervivementM.PascalLarzabal,directeurdulaboratoireSATIE,de mavoiraccueilliauseindesonlaboratoireetdemavoiroffertlopportunitderaliserces travaux dans les meilleures conditions. JesuisgalementtrsreconnaissantenversM.FrdricGillon,Matredeconfrences HdR,lEcoleCentraledeLille,M.FrdricWurtz,DirecteurderechercheCNRSquiont accept dtre rapporteurs de cette thse. Je tiens remercier M. Mohamed Boussak, Professeur lEcole Centrale Marseille, M. Mohamed. E. H. Benbouzid, Professeur des universits lUniversit de Bretagne Occidentale, M.NoureddineTakorabet,ProfesseurdesuniversitslENSEMINPL,pourleur participation lvaluation scientifique de ces travaux, en qualit de membre du Jury. JemadressemesremerciementsetmasincrereconnaissanceM.MohamedGabsi, ProfesseurdesuniversitslENSCachan,demavoirreuenMaster2Recherche,enstage puis en thse. En tant que mon directeur de thse, il a jou un rle important dans la ralisation de ces travaux en orientant mon travail et en me laissant une grande libert dans lorganisation. MaprofondegratitudesadresseparticulirementM.EmmanuelHoang,Professeur agrglENSCachan,quimencadraitdurantmonstageMaster2etmestroisannesde thse, avec sa patience, son soutient et ses encouragements.Il a jou un rle essentiel dans la ralisationdecettethse.Parsonintelligenceetsonrigueurtoutautantqueparsesqualits humaines,M.EmmanuelHoangmadonndesbonsconseils,desbonnesquestionspour mener bien ce travail.JetiensremercierlensembledespartenairesduprojetANR-MEEI,notammentles deux industriels Valeo et Leroy Somer, pour leurs contributions la ralisation de ce travail. Jaieulachancedepouvoireffectuermontravaildansunquipetoutfait exceptionnel, grce aux comptences et la disponibilit de ses membres. Que M. Hamid Ben Hamed,M.LionelVido,M.MichelLcrivain,SamiHloui,XavierOjeda,Olivierdela Barrire, Li Guangjin, Nedjar Boumedyen, Dang Thu Thuy, Judical Aubry, Dang Xuan Linh, Benjamin Gaussens, Julien Boisson, Emna Ben Sedrine, William Krzesinski, soient remercis. Les discussions que jaipu avoir aveceux sont toujours enrichissantes,constructives et utiles pour mon travail. A cela sajoute laide et lamabilit des agents administratifs et techniques de SATIE. Enfin, mais non pas en dernier lieu, merci ma famille, mes amis, pour leur patience et leur encouragement tout au long de cette recherche. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 SOMMAIRE Introduction........1 CHAPITRE I :Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies.5 I.1. Introduction...7 I.2. Traction hybride lectrique : une filire en plein dveloppement....8 I.3. Machines lectriques utilises pour les vhicules hybrides11 I.3.1. Spcifications des machines lectriques pour les VHE...11 I.3.2. Machines synchrones ..13 I.3.3. Machines synchrones concentration de flux.....15 I.5. Modles de pertes dans les machines lectriques.......17 I.6. Nouveaux enjeux de la conception optimale de machines lectriques pour la traction hybrid.21 I.7. Prsentation et principe des machines lectriques tudies....26 I.7.1. MSCF 12-8..31 I.7.2. MSCF 12-1632 I.7.3. MSCF 48-8..33 I.7.4. MSAP 48-8..33 I.8. Modlisation des machines lectriques...34 I.9. Influence de certains variables sur les performances des machines...42 I.9.1. Influence du rayon dentrefer..43 I.9.2. Influence de linduction rmanente de laimant permanent....44 I.9.3. Influence de lpaisseur de la culasse..46 I.9.4. Influence de lpaisseur de laimant....47 I.9.5. Influence du rayon darbre..48 I.10. Conclusion49 Bibliographie.51 CHAPITREII :Modlisationdespertesdanslesmachineslectriquesenvuede loptimisation sur cycle ....59 II.1. Introduction....61 II.2. Pertes cuivre sur cycle de fonctionnement....63 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 II.2.1. Pertes cuivre dues au courant de laxe q....64 II.2.2. Pertes cuivre dues au courant de laxe d69 II.3. Pertes fer vide moyennes sur cycle.80 II.3.1. Modle simple....82 II.3.2. Modle de lintgrale.....88 II.3.3. Modle des valeurs moyennes...92 II.4. Pertes fer en charges moyennes sur cycle : prise en compte du dfluxage.......98 II.5. Influence du nombre des subdivisions de calcul.....107 II.6. Influence du repre de calcul...111 II.7. Conclusion ...114 Bibliographie...115 CHAPITRE III :Validation exprimentale.117 III.1. Introduction.....119 III.2. Description du banc de test.119 III.2.1. Machines dessai.....119 III.2.2. Banc dessai....124 III.3. Caractrisation du modle de couple..126 III.3.1. Caractristique du couple en minimisant les pertes cuivre.....127 III.3.2. Caractristique de couple densit de courant - pertes cuivre...128 III.4. Caractrisation du modle de dfluxage.....131 III.5. Caractristique couple-vitesse maximale des deux machines....134 III.6. Caractrisation des modles de pertes fer..136 III.6.1. Pertes fer vide sans courants Iq, Id..136 III.6.2. Pertes fer vide avec Id non nul et C = 0, Iq = 0....138 III.6.3. Pertes fer en charge.....141 III.6.4. Comparaison des pertes fer dans les trois cas.....142 III.7. Identification des machines dessai sur les fronts de Pareto..143 III.8. Conclusion..146 CHAPITREIV :Optimisationsurcycledesmachineslectriquesparalgorithmes gntiques....147 IV.1. Introduction....149 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 IV.2. Formulation du problme de conception....150 IV.2.1. Dfinition des critres de conception.150 IV.2.2. Dfinition des variables de conception...153 IV.2.3. Dfinition des contraintes de conception....154 IV.2.4. Processus doptimisation156 IV.3. Rsultats doptimisation avec le modle des pertes fer vide...158 IV.4. Analyse et slection des solutions avec des pertes fer vide.161 IV.4.1. Cycle NEDC.......163 IV.4.2. Cycle Artemis-Urbain.....167 IV.4.3. Cycle Artemis-Routier....169 IV.4.4. Conclusion..172 IV.5. Rsultats doptimisation avec le modle des pertes fer en charge.173 IV.6. Analyse et slection des solutions avec des pertes fer en charge...176 IV.6.1. Cycle NEDC...........177 IV.6.2. Cycle Artemis-Urbain.....180 IV.6.3. Cycle Artemis-Routier....182 IV.6.4. Conclusion..185 IV.7. Impacts des modles de pertes sur les rsultats doptimisation.....185 IV.8. Impacts des mthodes d'optimisation ....189 IV.9. Conclusion..192 Bibliographie...193 Conclusion gnrale...195 Perspectives ........198 Liste des publications Rsum tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Introduction 1 INTRODUCTION Les vhicules hybrides et lectriques sont actuellement en plein dveloppement grce lexigence de la diminution des missions de CO2 pour satisfaire des normes de plus en plus contraignantes. En France et en Europe, les nouvelles technologies sur les vhicules hybrides et leurs quipements font lobjet de nombreuses recherches. Pour cela, plusieurs programmes onttlancsdanscedomainedontleProgrammedeRechercheetDInnovationdansles Transportsterrestres(PREDIT).LeprojetMachineElectriquesetElectroniqueIntgre (MEEI) a pour but de dvelopper de nouvelles machines lectriques pour les applications aux vhiculeshybrides.MEEIregroupeplusieurspartenairesinstitutionnels(SATIEENSde Cachan,LGEP,LECUTC,etc.)etindustriels(Valeo,LeroySomer).Notremissionau SATIEestdedvelopperdenouvellesmachineslectriquesdetypesynchroneaimants permanentspourcesapplications.LecahierdeschargesMEEIestreprsentsousformede cyclesdefonctionnementcorrespondantauxdiffrentsusagesduvhiculetelsque lapplication urbaine ou routire. Les machines synchrones aimants permanents (MSAP) sont utilises dans plusieurs applicationsauxvhiculeshybrides.Pourtant,enanalysantltatdelartsurcesujet,nous noussommesaperusquelaquasi-totalitdestudesconcernentlesperformancesdeces machinesuniquementsurquelquespointsparticuliersduncycledefonctionnementdu vhicule tels que le point de base, le point grande vitesse ou le point le plus sollicit (Figure 0.1).Deplus,lesmodleslectromagntiquesdemachineslectriques(modleducouple, modles de pertes, etc.)ont t construits pour le calcul dun seul point particulier du cahier des charges. Figure 0.1. Caractristique rsume couple-vitesse dun cycle de fonctionnement Mais la caractristique requise des machines lectriques utilises pour les applications aux vhicules hybrides est reprsente par un cycle de fonctionnement. Ce cycle se compose souvent en des centaines de points durant le temps (Figure 0.2). Cest dire que ces machines lectriques fonctionnent diffrents couples et diffrentes vitesses. Alors, il est ncessaire de disposer : DemodleslectromagntiquesquipeuventmodliserlesMSAPettre appliqus sur lensemble dun cycle de fonctionnement. C N Point de base Point le plus sollicit Point grande vitessetel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Introduction 2 De mthodes decalcul des performances des machines lectriques sur un cycle donn, notamment lestimation des pertes et des courants. Cesmodlesetmthodesdoiventtreapplicablesdiffrentesmthodes doptimisation existantes des machines lectriques. 0 200 400 600 800 1000 1200-50050100Temps (sec)Couple (Nm)0 200 400 600 800 1000 12000200040006000800010000Temps (sec)Vitesse (tr/min) Figure 0.2. Caractristique requise dune machine lectrique pour une application vhicule hybride Lobjectif de ces travaux de thse est donc de proposer et de dvelopper ces modles et les mthodes de calcul associes. Nous allons dvelopper les mthodes de calcul des pertes cuivre et des pertes magntiques dans les machines aimants permanents sur cycle en prenant encompteledfluxagelectroniqueetlanon-linaritmagntique.Suiteunevalidation exprimentaledecesmodles,nousallonslesappliquerdansunemthodedoptimisation pourrechercherdesmachinesoptimalessurlensembleducycledefonctionnementdonn. Lesimpactsdecesdiffrentsmodlesdepertessurloptimisationsurcycledesmachines seronttudisetlintrtdechaquemodleseraprsent.Afindemieuxcomprendreces travaux, nous commenons par prsenter chaque chapitre. Lepremierchapitreprsentelecontextedeltudeetlechoixdesmachines lectriquesutilisespourcesapplications :machinessynchronesaimantspermanents.Ces machines ont t choisies pour plusieurs avantages tels que le couple massique et la puissance massique levs, un contrle simple et un bon transfert thermique grce au rotor non-bobin, etc. Des modles de pertes dans les MSAP utiliss sont ensuite prsents. En analysant ces modlesdanslecontextedeloptimisationdesmachineslectriquessurlensembledun cycledefonctionnement,nousavonschoisilemodledepertesferproposdanslathse [1.96] pour construire les mthodes de calcul de pertes moyennes sur cycle dans les deux cas : pertes fer vide et pertes fer en charge. Nous prsenterons les quatre machines synchrones aimants permanents choisies. Ce sont deux machines synchrones concentration de flux et encochage entier (MSCF 12-8 et MSCF48-8),unemachinesynchroneconcentrationdefluxetencochagefractionnaire (MSCF12-16)etunemachinesynchroneaimantsensurface(MSAP48-8).Les configurationsdesMSCFserontdveloppespartirdurotorbrevetparLeroySomer [1.104].Lesautresmachinessontdveloppesdanslebutdtudierlesimpactsdutypede bobinage et du positionnement des aimants, sur les performances des machines. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Introduction 3 Les premires performances comparatives des machines : flux vide, densit de flux, couplemoyenetcouplededtente,couplemoyen/pertescuivre,ainsiquelinfluencede quelques paramtres gomtriques et magntiques sont prsentes. Nous dfinissons la suite de cette tude les intervalles de ces variables lis au problme doptimisation. Ledeuximechapitreprsenteledveloppementdesmodlesetlamodlisationdes pertes cuivre et des pertes fer dans les MSAP. Dans le calcul des pertes cuivre moyennes sur un cycle de fonctionnement, nous allons les sparer en deux parties : pertes cuivre dues au courant de laxe q, Iq, qui est suppos dtre la source essentielle afin de crer le couple et pertes cuivre dues au courant de laxe d, Id, qui est suppos dtre la source principale pour dfluxer les machines pour atteindre des vitesses suprieures la vitesse de base. Ces deux hypothses permettent didentifier les contributions des pertescuivre, notamment les pertes cuivre dues au dfluxage dans lensemble des pertes dans la machine. Ensuite,nousproposonstroismodlesdecalculdespertesfer :lemodlesimpleen supposantquelinductionestsinusodaledanstouteslessubdivisionsdecalcul ;lemodle intgralpermettantdetenircomptedescomposantesharmoniquesdelinduction ;etle modle modledesvaleursmoyennes dveloppmathmatiquementpartirdumodle intgral. Loriginalit de ces dveloppements sous forme de modles polynomiaux est doffrir lapossibilitdecalculerlesvaleursmoyennessurlensembleduvolumetotal,puisla possibilit de calculer les pertes fer vide et en charge sur un cycle donn. Les performances surcycledesquatremachinesderfrencesontcomparesafindepouvoiridentifieret vrifier des ordres de grandeurs sur chaque cycle. Letroisimechapitreprsenteunevalidationexprimentaledesmodlesprsents dansledeuximechapitre.Suiteauxpremirestudescomparatives,deuxprototypesde MSCF 12-8 et de MSCF 12-16 ont t fabriqus par Leroy Somer. Les mesures sont ralises surunbancdessaimontaulaboratoireSATIEcomprenantunautotransformateur,un variateur de vitesse, une machine asynchrone accouple avec une machine synchrone (un des deux prototypes), un onduleur de tension ainsi que les moyens de mesure comme le montage balance (mesure du couple), oscilloscope (mesure des tensions et des courants), etc. Quant aux deux hypothses indiques ci-dessus (le couple ne dpend que du courant Iq et la vitesse suprieure la vitesse de base est atteinte par linjection du courant Id), les essais montrerontquilestsuffisantdinjecteruncourantdelaxeq,Iq,pouravoiruncoupleen minimisant les pertes cuivre. Ainsi, le dfluxagelectronique par linjection du courant dans laxed,Id,selonlemodlepropos,permettrademinimiserlespertescuivrepouratteindre une vitesse donne suprieure la vitesse de base. Quantauxpertesfer,lescomparaisonsmodles-essaissonteffectuesdanslestrois cas : pertes fer vide sans courants ; pertes fer vide avec0 dImais Iq = 0 et enfin pertes ferencharge(avec0 , q dI I ).Cescomparaisonsontpourbutdevaliderlesmodlesde tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Introduction 4 pertes fer dans diffrents cas et de trouver des explications raisonnables quant aux diffrences entre modles et essais. Lequatrimechapitreprsentelapplicationdesmodlesdepertesunemthode doptimisationdesmachineslectriquessuruncycledefonctionnementdonn,NSGA-II,en utilisantlesmodlesdespertesfervideetencharge.Lespertesprisesencomptedansles calculssontlespertescuivreentenantcomptedudfluxageetlespertesferavecousans dfluxage. Le NSGA-II a t choisi parce que cest une mthode doptimisation stochastique avec des algorithmes gntiques qui offre une tude multi-objectif, une possibilit des contraintes, unbonmaintiendesrsultatsetquiatutilisetappliquplusieurstudesdansnotre quipe. Apartirdespremirestudesparamtriquesdanslepremierchapitre,nousallons dfinir les variables, les fonctions objectifs, ainsi que les contraintes pour assurer la faisabilit etlafiabilitdessolutionsoptimales.Lesrsultatsdoptimisationindiqussousformedes fronts de Pareto ont pour but de : Minimiser les pertes moyennes sur cycle Minimiser la valeur du courant efficace au point de base Desanalysesetdescomparaisonsdesmachinesoptimisespourchaquecyclede fonctionnementetpourlensembledestroiscyclessonteffectues.Ainsi,lesmachinesqui offrentlesmeilleuresperformancesparmilesquatremachineschoisies,seloncettetude, serontprsentes.Ensuite,nousallonstudierlesimpactsdesmodlesdepertessurles rsultats doptimisation sur cycle. Cela concerne les pertes fer, le temps de calcul, les ordres de grandeur des paramtres optimaux et lefficacit de chaque modle, etc. Enfin,nousfinironscerapportdethseparuneconclusiongnralesurlensemble desmodlesetdesmthodesproposs,desessais,desapplicationsetdesperspectivessuite aux rsultats obtenus. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 5 CHAPITRE I :Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudiesSOMMAIRE CHAPITREI:Etatdelartettudeparamtriquedesmachineslectriques tudies................................................................................................................................... 5 I.1. Introduction ................................................................................................................ 7 I.2. Traction hybride lectrique : une filire en plein dveloppement .................. 8 I.3. Machines lectriques utilises pour les vhicules hybrides ........................... 11 I.3.1. Spcifications des machines lectriques pour les VHE................................. 11 I.3.2. Machines synchrones ......................................................................................... 13 I.3.3. Machines synchrones concentration de flux................................................ 14 I.4. Mthodes doptimisation pour la conception des machines lectriques...... 15 I.5. Modles de pertes dans les machines lectriques ............................................. 17 I.6. Nouveaux enjeux de la conception optimale de machines lectriques pour la traction hybride lectrique............................................................................................ 21 I.7. Prsentation et principe des machines lectriques tudies ........................... 25 I.7.1. MSCF 12-8............................................................................................................ 31 I.7.2. MSCF 12-16.......................................................................................................... 32 I.7.3. MSCF 48-8............................................................................................................ 33 I.7.4. MSAP 48-8............................................................................................................ 33 I.8. Modlisation des machines lectriques............................................................... 34 I.9. Influence de certains variables sur les performances des machines ............. 43 I.9.1. Influence du rayon dentrefer ........................................................................... 44 I.9.2. Influence de linduction rmanente de laimant permanent ........................ 45 I.9.3. Influence de lpaisseur de la culasse .............................................................. 47 I.9.4. Influence de lpaisseur de laimant ................................................................ 48 I.9.5. Influence du rayon darbre................................................................................ 49 I.10. Conclusion............................................................................................................... 50 Bibliographie................................................................................................................... 51 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 6 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 7 I.1. Introduction Nous entendons parler partout de la pollution, du dveloppement durable, des nergies renouvelables,delarductiondmissionsdeCO2,delconomiedelnergie,etc. Lnergiedevientdeplusenplusprcieusecarlesbesoinsnergtiquesaugmententsans cesse,notammentenChineetauxEtats-Unis,deuxdesplusgrandsconsommateursau Monde [1.1]. EnFrance,lesecteurdestransportsestaujourd'huilepremierconsommateurde produits ptroliers, loin devant le secteur rsidentiel-tertiaire (respectivement 68% et 20,5% delaconsommationfinaledeproduitsptroliersen2006).Saconsommationnergtiquea pratiquementdoublenvolumeentre1973et2006(+96%)etaaugmentd'environ20% depuis1990.Letransportroutier,voyageursetmarchandises,reprsente80%dela consommationd'nergiedel'ensembledestransportsenFrance[1.2].Lesecteurdes transportsestlepremiermetteurdeCO2 (34%desmissionsdeCO2)avecplusde141 millionsdetonnesdesmissionsdeCO2enFranceen2005devantlesecteur rsidentiel/tertiaire/agriculture(102millionsdetonnes)(FormatCCNUCCConvention CadredesNationsUniessurlesChangementsClimatiques[1.3]).Letransportroutier reprsente lui seul plus de 131 millions de tonnes de CO2 mis en France en 2005, soit une augmentation de 18% depuis 1990 [1.2]. Face la ncessit de rduire ces missions, les vhicules hybrides sont aujourdhui unealternativecrdible,etsontdoresetdjcommercialissmalgrlescontraintes intrinsquesliesladoublemotorisationetausurcotdesquipements [1.4].Cequi conduitleschercheursetlesindustrielsrecherchertoujoursetdvelopperdenouvelles technologies de machines lectriques combines avec un moteur thermique pour rpondre ces challenges de diminuer la consommation dnergie dans les vhicules et les missions de CO2.IlsagitdunequestioncrucialeenFrance. Legouvernementfranaisencouragede plusenplusaudveloppementdeproduitsmoinspolluants.Lapreuveenestque46%des ventes de voitures neuves en France en 2004 mettent moins de 140 g de CO2 par km [1.2]. Depuisunedizaineanne,legouvernementfranaisencouragelesrecherchesdansce domainepardesprojetsnationaux,europensetinternationauxdontlePREDIT (ProgrammesdeRechercheetDInnovationdanslesTransportsTerrestres)estunprojet important.NotretudeestcomprisedansceprojetpourlabrancheMEEIMachines Electriques et Electronique Intgre.

Danscechapitre,nousnousintressonspasserenrevuedemaniresynthtiquele dveloppementdelatractionhybridelectriquedanslecontextedenotretude.Ensuite, nousprsenteronsuntatdelartsurlestechnologiesdemachinesexistantespourcette application en vue dune optimisation. Uneprsentationplusdtaillesurlesmodleslectromagntiquesdesmachines lectriquesdontlesmodlesdepertesseraprsente.Suiviparunerevuesurles mthodologiesdoptimisationdesmachineslectriques,nousfinironscechapitreen positionnant notre tude. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 8 I.2. Traction hybride lectrique : une filire en plein dveloppement Lesvhiculeshybrideslectriques(VHE)sontdeplusenplusrpanduspourun certainnombrederaisons,surtoutl'conomiedecarburantetlarductiondesmissionsde CO2. A laide de la combinaison dun moteur combustion interne classique (MCI) avec la technologie de propulsion lectrique, les VHE deviennent plus performants que les vhicules nergivores d'antan [1.4]. Un VHE utilise la fois un moteur lectrique et un moteur combustion interne ou microturbine pour propulser le vhicule. Un hybride est conue pour capter l'nergie qui est normalementperdueaufreinageetendescentepourrechargerlesbatteries,quisontour alimentent le moteur lectrique [1.5]. Figure I.1.Principe dun VHE Les VHE possdent plusieurs avantages [1.5] : La consommation de carburant et des missions d'chappement rduites Meilleurs performances et rendement dutilisation du carburant Baisse des cots dutilisation Rcupration de l'nergie cintique lors des phases de freinage La premire automobile hybride essence-lectricit dans le monde a t dveloppe en 1900 par Ferdinand Porsche (Figure I.2) [1.6]. Mais il a fallu le lancement de la Prius en 1997parToyotapourunecommercialisationgrandechelledesVHE[1.7].Avecune consommation conomique de carburant estime 4,5l/100km en ville et 5,2l/100km sur la route, associe la hausse des prix de lessence, ce premier VHE a t bien accueilli par les utilisateurs. La plupart, sinon tous les grands constructeurs ont rapidement embot le pas et les ventes mondiales de VHE sont montes en flche [1.4]. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 9 Figure I.2.Premier vhicule hybride (Porsche) Ces dernires annes, les constructeurs automobiles dveloppent de plus en plus des modlesdevoitureshybrides.Ellessontprsentesdansplusieurssalonsautodansle Mondeetellessonttoujourslesplusplbiscitesnonseulementparlesconstructeursmais aussi par les citoyens qui sintressent de plus en plus lcologie. Voici quelques noms de modlesemblmatiques :Prius,Highlander,Camry,CorolladeToyota,Civic,CR-Z Hybride de Honda, Volkswagen Touareg II, BMW ActiveHybrid X6, BMW Srie 7 Active Hybride,Peugeot308HDi,ChevroletVolt,MercuryMilanHybride,LexusRX450h, Mercedes S400 blue Hybrid, etc. [1.8]. Aveclaplupartdesgrandsconstructeursautomobilesproduisantmaintenantdes VHE,ilyaplusieurschoixdetypesd'entranement,chacunavecdesavantagesdistincts pourleconsommateur.Ilexistediffrentesstructures :hybridesparallle,hybridessrie, hybrides srie-parallle, hybrides complets et hybrides lgers [1.4-1.5], [1.8-1.14] : Lasolutionparallleutiliselemoteurlectriqueet/ouleMCIoumicroturbine pourpropulserlevhicule(FigureI.3.a).Ilspeuventparticiperlatractiondu vhiculeconjointementousparmentcarlesfluxnergtiquesprovenantdes deux sources arrivent en parallle aux roues. Plusieurs variations ont t tudies, comme larchitecture parallle simple arbre, parallle double arbre, parallle un oudeuxembrayages[1.15].Dansunearchitecturehybrideparallle,lamachine lectriqueestgnralementutiliseentractionfaiblevitesse,outrsgrande acclration pour assister le moteur thermique. Lasolutionsrieutiliselemoteurlectriquepourfournirlapuissance(Figure I.3.b). Dans larchitecture hybride srie, le MCI est mcaniquement dcoupl des roues et directement li une gnratrice lectrique via une jonction mcanique. Ce systme est quivalent un groupe lectrogne produisant de llectricit. Les machinesdetractiongnralementutilisessurcesvhiculespermettentde produire des couples levs bas rgime mais limitent gnralement la vitesse du vhicule.Larchitecturehybridesrieestdoncsouventutilisedansdesbuset dans dautres vhicules professionnels urbains (Microbus Gruau). tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 10 TypeSchmaAvantagesInconvnients Vhicules commercialiss Parallle (a) Mode tout lectrique Bon rendement Rcupration au freinage MCI dbray Rupture de couple lors des chargements de rapports Insight Civic Tino Srie (b) Moins polluant Relative facilit de commande Faible rendement global ME de taille importante Cot lev Appropri au bus Microbus GruauChevrolet Volt Srie-Parallle (c) Combine des avantages des solutions Srie et Parallle Complexit de commande Cot lev Prius Lexus Figure I.3.Les trois principales architectures dhybridation [1.10] RES : Rservoir, GE : Gnratrice, MCI : Moteur thermique, EMB : Embrayage BAT : Batterie, ME : Moteur lectrique, TP : Train plantaire Lasolutionsrie-parallle(FigureI.3.c)partagelesnombreusescaractristiques delasolutionsrieetdelasolutionparallle,quipermetuneefficacit nergtiqueglobalesuprieure.Unearchitecturesrie-parallleappeleencore drivationdepuissance,combinelesmodesdefonctionnementetlesavantages desdeuxarchitecturessrieetparallle.Laplusconnuedesarchitectures hybridessrie/parallleestcelledelaToyotaPrius.Cettedernireutiliseune premiremachinelectriquequipermetdamenerlemoteursursesmeilleurs pointsderendement,unedeuximemachineparticipelatraction.Les architectureshybridessrie/paralllencessitentaumoinsdeuxmachines lectriquesenplusdumoteurthermiquecequilesrendcouteuses.Ellessont gnralementplusdifficilescommanderenraisondeleurcomplexit mcaniquemaislesdegrsdelibertsdisponiblespourlacommandedoivent permettredobtenirpotentiellementdemeilleuresperformancesnergtiqueset environnementales. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 11 Leshybridescompletssontcapablesd'utiliserseulementleMCI,seulementles batteriesouunecombinaisondesdeux.Lapossibilitdebasculerentreles sourcesd'nergieainsiquelepartageleurajoutedelacomplexitdansla conception de lhybride intgral. DepuispeudetempssontapparusdesVHE plug-in .Cestunvhiculehybride qui utilise des batteries rechargeables, ou un autre priphrique de stockage de l'nergie, qui peuttrerestaurpleinechargeenconnectantunepriseunesourced'alimentation lectriqueextrieure.IlssontdoncappelsVHErechargeables.LaToyotaPriusHybride Plug-inparexemple.Profitantdel'lectricitdanslamaisonnouspouvonschargerla batterie alors que le vhicule est stationn dans le garage [1.4]. I.3. Machines lectriques utilises pour les vhicules hybrides Dans le systme de propulsion des VHE, le moteur lectrique joue un rle important en dcidant du niveau dhybridation pendant lutilisation du vhicule. Il est le point essentiel pourobtenirdesperformancesdunVHE.Eneffet,lesconstructeursautomobiles encouragent la recherche sur des technologies de machines lectriques de grand rendement, faible cot, qui combines avec le moteur thermique rendent les vhicules moins polluants. Les machines lectriques sont une des technologies cls pour atteindre cet objectif. I.3.1. Spcifications des machines lectriques pour les VHE Lescaractristiquesprincipalesdunemachinelectriquepourlapplicationtraction sont les suivantes [1.12], [1.16] : Densits de couple et de puissance leves Couplelevaudmarrage,bassesvitessesetaufreinage,etgrande puissance grandes vitesses Largebandedevitesse,avecunergiondepuissanceconstanteatteignant3-4 fois de la vitesse de base Rendementlevsurleslargesbandesdevitesseetdecouple,ycomprisle fonctionnement faible couple Capacitdesurcharge,gnralementdeuxfoislecoupledebasependantun court temps Fiabilit et robustesse appropries lenvironnement du vhicule Cot acceptable Enplus,unbruitacoustiquerduitetunefaibleondulationdecouplesontdes considrationsdeconceptionimportantes.Particulirement,lesmachineslectriques utilisespourlapplicationVHEdoiventfonctionnerenrgimemoteurainsiquenrgime gnrateur. Pourrpondrecescaractristiques,plusieurstechnologiesdemachineslectriques ontttudieset/ouutilises:machinescourantcontinu(DC),machinescourant alternatif (AC) synchrones ou asynchrones, etc. Lesmachinescourantcontinusontalimentesparunesourcednergiecontinue tellequunebatterieviadesconvertisseursDC/DC.Ellessontrelativementfaciles tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 12 commanderetleurcotestparmilesplusavantageux.Lesmachinescourantalternatif ncessitent lutilisation de convertisseurs DC/AC pour tre alimentes par des batteries. Cela rend leur utilisation plus chre. Pourtant, elles ont une puissance massique et un rendement plus levs que les machines DC. Cest pour cesraisons que les machines AC sont de plus enplusprsentesdanslesapplicationsautomobilesetsurtoutdanslesvhiculeshybrides. Lesauteurs[1.16-1.20]prsententlesdiffrencesentrecestechnologiesdemachines lectriques :machinecourantcontinu(MCC),machineasynchrone(MAS),machine synchronerotorbobin(MSRB),machinesynchroneaimantspermanents(MSAP), machine rluctance variable (MRV), etc. La (Figure I.4) prsente quelques vhicules hybrides commercialiss en prcisant leur type de machines lectriques. Bien quil y ait plusieurs technologies de machines lectriques utilisespourcesapplications,lesrecherchesdenouvellestechnologiessedveloppent. Cestpourquoi,pourchaquenouvelletechnologiedemachineslectriquesassocies,une nouvellegnrationdevhiculeestproduite.Noussouhaitonsdoncfaireuneanalyseplus dtaille sur lutilisation de diffrentes technologies de machines lectriques pour les VHE.

Figure I.4.Machines lectriques adoptes par les VHE commercialiss [1.20] MRV MSAP MSAP MSAP MAS MAS MAS tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 13 I.3.2. Machines synchrones Pourlesmachinessynchrones,ilexistedeuxtypes :machinessynchronesrotor bobin (MSRB) et machines synchrones aimants permanents (MSAP). LastructureduneMSRBestconnuedepuislongtemps,impliquantunstator polyphasetunrotorbobinalimentencourantcontinu,avecounonune saillance.Le flux inducteur est bien entendu rglable, par le courant du rotor, ce qui donne la machine beaucoup d'ajustements ou des comportements possibles. Maisilresteleproblmed'alimentationdesenroulementsdurotorencourant continu.Les balais peuvent tre utiliss, mais ne sont gnralement pas accepts pourdesproblmesd'entretien.Parailleurs,unemachineauxiliaire(excitatrice) avecdesdiodesderoueslibrespeuttreutilise,conduisantunesolutionsans balais, mais cette solution impacte ngativement la compacit et le cot [1.16]. LesMSAPonttessentiellementdveloppesdepuislintroductionde nouveaux aimants Nd-Fe-B fin 1983 [1.21].Depuis, les MSAP ont t de plus enplusutilisesdansdiffrentesapplicationsenraisondenombreuxavantages, notamment un haut rendement, une bonne compacit, poids et volume rduits, un couple lev, de bonnes conditions du transfert thermiques et un contrle simple grceaurotorsansbobines,quisontdebonscandidatspourdesapplications exigeant une densit de puissance et un rendement levs tels que les VHE [1.20], [1.22].Ilexisteplusieursmaniresdepositionnementsdesaimants,doles diffrents types de MSAP (Figure I.5). LastructurelaplusutiliseetlaplusconnueestlaMSAPensurface(Figure I.5.a).ElleestainsitudieetutilisefrquemmentpourlesapplicationsVHE [1.22-1.33]. Pour cette structure, nous ne pouvons pas ngliger des inconvnients commelondulationducoupleleve,lacapacitdedfluxagefaible,etc. Pourtant,lesMSAPensurfaceencochagefractionnaire(aveclenombre dencochesparpleetparphasefractionnaire)sontlesujetdecesdernires recherches(FigureI.5.b).Ellesfournissentintrinsquementunfaiblecouplede dtente,unrendementlevetunedensitdepuissanceleve,ainsiquune meilleure capacit de dfluxage et de meilleuresperformances de tolrances aux dfauts.Enrevanche,ellespeuventavoirdespertesparcourantsdeFoucault, dans les aimants, leves [1.27-1.31]. LesautrestypesdeMSAPsontsouventtudisetutilisspourlesVHEtelsdont MSAPaimantsenterrs[1.34-1.41](FigureI.5.c),machinesynchroneconcentrationde flux[1.42-1.46](FigureI.5.d),machinesynchronecommutationdeflux[1.47](Figure I.5.e),machinessynchronesdoubleexcitationMSDE(luneparbobines,lautrepar aimants)[1.48-1.53](FigureI.5.f),lesmachinesfluxaxial[1.54-1.57],lesmachines linaires [1.58], le quatre-quadrant (4QT) [1.59-1.63], etc. Auvudescontraintesspcifiqueslieslatractionhybrideetauxcomportements inhrentschaquetypedemachine,nousorientionsnotrechoixverslesmachines synchrones aimants permanents pour des raisons de performances lectromagntiques et de rendement. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 14 (a) Aimants en surface(b) MSAP encochage fractionnaire

(c) Aimants enterrs (d) Concentration de flux

(e) Commutation de flux (f) MS double excitation Figure I.5.Diffrents types de machines synchrones aimants permanents I.3.3. Machines synchrones concentration de flux Les machines synchrones concentration de flux (MSCF) bobinage concentr que nous tudions dans cette thse (Figure I.5.d), offrent des performances intressantes pour ces applications. En agissant sur la hauteur des aimants et sur la surface dun ple magntique, il estpossibledobteniruneinductionmagntiquedanslentreferplusimportantequedans laimant. On parle alors de la concentration de flux. Contrairement aux structures de MSAP ouaimantsenterrsolaimantationtaitradiale,laimantationdunestructure concentration de flux est ortho-radiale. Par suite, linduction magntique dans lentrefer tant plus grande que dans les aimants, il est possible dutiliser des aimants ferrites tout en ayant de bonnes performances en termes de couple, et en abaissant le cot de la machine [1.51]. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 15 Grce la concentration de flux, elles offrent un couple massique important. De plus, lebobinageconcentrrduitlesttesdesbobinesetdonc,laplaceoccupe,cequiesttrs avantageux pour les applications aux systmes embarques. Avec la concentration de flux, y ajoutantunmeilleurcoefficientderemplissage,ellesontdoncunedensitdepuissance importante [1.17], [1.42-1.43]. CestpourtouscesavantagesdesMSCF,nousavonschoisitudieruneMSCF possdantunrotoravecdesaimantsaimantationortho-radialeetunstatorbobinage concentr.Cettestructurebnficenonseulementdesavantagesdelaconcentrationmais aussi ceux du bobinageconcentr : pertescuivre rduites. Elle atconsidrecomme une machinederfrence.Donousavonsdveloppdautresstructurescomparativespour notre tude. Elles seront prsentes dans la partie I. 7 (pages 26-34). I.4. Mthodesdoptimisationpourlaconceptiondesmachines lectriques La dmarche de conception des machines lectriques peut comporter les cinq phases principales rcapitulesdans la (FigureI.6).Les phases senchainent squentiellement mais les itrations et les retours sont souvent indispensables [1.50-1.52], [1.65-1.71]. Figure I.6.Dmarche de la conception des machines lectriques [1.65] Pourcettedmarche,lanalyseducahierdeschargespermetdidentifierles spcifications de base, autrement dit les besoins des utilisateurs en termes de fonctionnement dsir et de contraintes respecter. Lexemple pour la traction hybride est la caractristique Couple-Vitesse atteindre et la contrainte thermique respecter. Ensuite, les concepteurs doivent dfinir explicitement les variables de conception, les Analyse du cahier des Formulation du problme Modlisation du dispositif Rsolution du problme Exploitation et analyse des rsultats tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 16 objectifsoptimiseretlescontraintesdusystme.Lenombredobjectifspeutvarierdeun (critre unique) plusieurs (multicritres). Frquemment il y en a deux. Lamodlisationdudispositif,autrementdit,lemodledoptimisation,peuttre ralise analytiquement ou numriquement. La rsolution du problme permet didentifier les solutions retenues ou denlever les individusnesatisfaisantpasauxcritresetcontraintesdemands.Danscettetape,une mthode doptimisation utilise peut donner un rsultat diffrent par rapport aux autres. Cela dpenddesalgorithmesutiliss.Lesalgorithmespeuventragirdefaonintelligentepour atteindrelaconvergenceleplusttpossible.Gnralementilexistedeuxgrandesfamilles desmthodesdoptimisations :lesmthodesdterministesetlesmthodesstochastiques. Pourtant,lesmthodesstochastiquessontutilisesplusfrquemmentgrcelapossibilit doptimisationmulti-physique,multicritre,etc.[1.50-1.52].Ilexisteplusieursmthodes doptimisation de type stochastique, en utilisant souvent les algorithmes gntiques, comme MOGA (Multiplie Objective Genetic Algorithm), NSGA-II (Non dominated Sorting Genetic Algorithm,versionII),etc,ouenutilisantlesstratgiesvolutionnaires,commeSPEA-II (Pareto Archived Evolution Strategy, version II). Parmitoutescesmthodes,NSGA-IIestunedesmthodeslesplusutilises.Cette mthode est la version amliore de la mthode NSGA qui a utilis pour la premire fois le conceptdeclassementpardominance.DanscettemthodeNSGA-II,lesparentsetles enfants sont classs selon le rang de dominance. Lorsque plus de la moiti des parents et des enfantsconfondussontdominants,unemesurededensitdessolutionsestutilise[1.65]. Elleesttrsfrquemmentutilisedanslaconceptiondemachineslectriquesparcequelle offredesavantagesimportants.Ellemaintientladiversitdelapopulationetlespoints optimums sont bien rpartis sur le front de Pareto. En plus, elle ne dpend daucun paramtre decontrle.Cettemthodeatutiliseetappliquepourplusieurstudesdemachines lectriquesdansnotrequipe[1.50-1.52].Elleestdoncnotrechoixdansleprocessus doptimisation. Laderniretape,quiconsistedanslexploitationetlanalysedesrsultats,apour objectifdevrifieretdvaluerlaquantitdessolutionsretenues.Encasdchec,ilest ncessaire de sinterroger sur les choix adopts lors des phases prcdentes. Cette dmarche sera montre plus concrtement dans notre tude au Chapitre IV. Pour la modlisation du dispositif (Figure I.6), les modles utiliss dans le processus doptimisation peuvent tre classs en deux familles : Modles analytiques Modles numriques Les modles analytiques peuvent se baser sur une rsolution formelle des quations de Maxwell ou les modles de schma rluctant. LesmodlesbasssurlarsolutionanalytiquedesquationsdeMaxwellpeuvent tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 17 dterminer lexpression exacte du potentiel vecteur dans lentrefer de la machine tudie, qui permet ensuite de dterminer les flux, les densits de flux dans dautres parties de la machine [1.68-1.72].Lesavantagesprincipauxdecesmthodessontlarapiditdescalculset lexplicationdesliensentrelesparamtresdentreetceuxdesortie,donc,unemeilleure comprhension de linteraction entre les diffrents paramtres. Cependant, ces mthodes ne peuvent pas tre appliques aux calculs de phnomnes non-linaires, telle que la saturation magntique. Lamthodebasesurlesmodlesdeschmarluctantestainsidveloppeet maitrise [1.51-1.52], [1.73-1.78]. Elle dfinit une rluctance, qui tablit la relationentre le flux traversant une section du champ magntique et la force magntomotrice. Cette mthode peut effectuer des calculs en tenant compte de la saturation mais elle demande plus de temps de calcul par rapport la dernire. Lesmodlesnumriquessebasentsurlesrsolutionsnumriquesdesquations mathmatiques.Parmieux,lesmthodesdeslmentsfinisetdesdiffrencesfinissontles plus utilises. Lavantage essentiel de ces modles est la prcision des calculs qui dpend du nombredemailles.Plusnousaugmentonslenombredemailles,pluslersultatobtenuest prcis.Encontrepartie,letempsdecalculdevientplusimportant.Engnral,cesmodles numriquesprennentplusdetempsdecalculparrapportauxmodlesanalytiques.Pour atteindre un compromis entre le temps de calcul et la prcision, il faut bien dfinir la finesse dumaillageetlenombredecalcul.Enralit,cesmthodessontlesplusutilisesdans lindustrie ainsi que dans la recherche. Deplus,lesmodlesanalytiquesnepeuventtreappliqusquengnraluntype prcisdemachinelectrique,c'est--direquelesquationsanalytiquescritespourles MSAP ne sont pas valables pour les MSCF par exemple. Par contre, les modles numriques peuvent tre utiliss sur lensemble des machines lectriques. I.5. Modles de pertes dans les machines lectriques Lespertesdnergielectriquedanslesmachineslectriquessontlesujetde nombreuxtravauxderecherche.Eneffet,lamatriseetlidentificationdelaquantitde pertes dnergie lectrique dans les machines lectriques permet de dterminer le rendement du systme, do les solutions proposes pour lamliorer. Lespertesdnergielectriquedansuneassociationconvertisseur-machine lectriquesedcomposentendespertesdansleconvertisseuretcellesquisontdansla machine lectrique. Nous nous sommes attachs tudier uniquement ces dernires. Les machines lectriques ont gnralement des pertes cuivre et des pertes fer (pertes magntiques)enngligeantlespertesmcaniques.Lespertescuivresonteffectivementla partietrsbienmatriseactuellement.Lecalculdespertesferquantluiesttoujourstrs complexeetabesoindemodlesplusoumoinsdtaillsetprcispourrpondrede nombreusesapplications.Nousnoussommesintresssparticulirementauxmthodesde calcul des pertes tenant compte du dfluxage lectronique dans les machines lectriques. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 18 Selonlestypesdalimentationdesmachines,lespertescuivrepeuventcomprendre uneet/ouplusieurssources.Parexemple,danslesmachinessynchronesrotorbobin, machinessynchronesdoubleexcitation,ellessesituentdanslesbobinagesdinduitainsi quedanslesbobinagesdexcitation,alorsquedanslesMSAP,ellesnesesituentquedans lesbobinagesdinduit.Selonlestypesducourantdalimentation,cespertespeuventtre classes en deux parties : pertes dues au courant actif et pertes dues au courant ractif. Nous ne prenons pasen compte les pertes supplmentaires dues lafrquencedalimentation, ni cellesduesauxeffetsdeproximitsdesconducteurs,nicellesduesauxfluxdefuites magntiques. R I q Pcu. .2= (I. 1) O : q :Nombre de phases I : Valeur efficace du courant dune phase (A) R : Rsistance totale dune phase ( ) Lespertes ferdanslesmachineslectriques,spcialementdanslesmachines aimantspermanentsfontlobjetdeplusieurstudes.Selonlestypesdemachines,elles peuventsesitueruniquementdanslestlesmagntiques(MCC,MSRB,MAS)et/oudans les aimants (MSAP, MSDE). Les besoins de modles prcis et efficaces pour rpondre des enjeuxdeplusenpluscomplexesdusystmelectriquesontncessaires.Cestpourquoi, plusieurs modles de pertes fer ont t dvelopps. Les auteurs dans [1.79] ont prsent une vue gnrale et comparative de ces modles. Un groupe de modles se base sur les quations de Steinmetz [1.80]: B f C Pes fer. . = (I. 2) O : f :Frquence (Hz) B : Amplitude de la densit de flux (T) , ,esC:Coefficientsidentifisparlesmesuresdepertesdanslematriau magntique utilis Cemodleestapplicableuniquementdanslecasdesdensitsdefluxpurement sinusodales.Desmodifications,quenousprsenteronsparlasuite,onttapportespour tenir compte des formes non-sinusodales de linduction magntique. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 19 Dans [1.81], une extension du modle (I. 2) a t prsente qui a spar des pertes fer endeuxparties :pertesparhystrsis(statique)etpertesparcourantsdeFoucault (dynamique) : 2 2 2. .. . B f C B f C P P Pcf hys cf hys fer+ = + = (I. 3) O Chys, Ccf sont les coefficients correspondant deux parties statique et dynamique. Lespertesparhystrsisparuesparlutilisationdesmatriauxmagntiques danslesmachineslectriquesquisontproportionnelleslacaractristique dhystrsis du matriau (Figure I.7). Figure I.7. Caractristique dhystrsis dun matriau magntique LespertesparcourantsdeFoucaultquisontuneconsquencedelinduction magntique dans les circuits magntiques des machines lectriques : 22) (.. . 12||

\|=dtt dB dPcf (I. 4) O : B(t): Densit de flux en fonction du temps (T) d :Epaisseur des tles magntiques (m) :Rsistivit spcifique ( m ) :Densit volumique (kg/m3) Particulirement,lemodleclassiqueleplusconnuestlemodledvelopppar Bertotti [1.82-1.84]. Il est devenu une rfrence pour dvelopper des modles plus dtaills de pertes fer. Pour cela, il ajoute une partie des pertes excdentaires tenant compte des pertes tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 20 excdentairesenfonctiondeladensitdefluxetdelafrquencequisontdiffrentespar rapport aux pertes par hystrsis et aux pertes par courants de Foucault: 5 , 1 5 , 1 2 2 2. .. .. . B f C B f C B f C P P P Pexc cf hys exc cf hys fer+ + = + + = (I. 5) Revenons maintenant la problmatique de calcul des pertes fer avec les inductionsmagntiques non-sinusodales. Cest le cas spcifique pour les machines tournantes. CommelesquationsdeSteinmetzsontvalablesuniquementpourlesdensitsde flux sinusodales, plusieurs modifications ont t dveloppes pour pouvoir tenir compte des formesnon-sinusodales.Dans[1.85],lesauteursontdveloppdesmodifications.Ilsont dfiniunefrquencequivalentequidpenddurapportdermagntisationmacroscopique du matriau dM/dt. Puisque ce rapport de rmagnetisation est proportionnel aux variations de la densit de flux dB/dt, la frquence quivalente base sur ces variations est dfini par :

||

\|=Tqdtdtt dBBf022 2.) (..2(I. 6) O : min maxB B B = . Combin lquation (I. 6) avec lquation de Steinmetz (I. 2), alors, ils ont obtenu : r q es ferf B f C P .. .1 = (I. 7) Ofrestlafrquencedermagntisation(Tr=1/fr)quiexprimelinfluencedela rmagntisation ou bien de la non-linarit du matriau sur les pertes fer. Grce cette modification en introduisant un deuxime facteur-correcteur, ce modle arrive tenir compte des variations de la densit de flux en fonction du temps. En effet, en se basant sur le modle de Bertotti, plusieurs auteurs ont dvelopp des modlesdepertesappliqusauxmachineslectriques,notammentpourlesmachines aimantspermanentsetpourlesapplicationsdelatraction,entenantcomptedesvariations non-sinusodalesdeladensitdeflux.Parmilesmodlesdvelopps,nouspouvonsles classer en deux groupes : lun qui spare les pertes fer en deux parties : pertes par hystrsis et par courants deFoucault [1.20], [1.26], [1.69], [1.86-1.91], lautre qui les spare en trois parties : pertes par hystrsis, pertes par courants de Foucault et pertes excdentaires [1.35], [1.70], [1.92-1.95]. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 21 Dans [1.96], le modle de pertes fer propos se compose de deux parties principales : pertes par hystrsis et par courants deFoucault.Ce modle est donc parmi les modles du premier groupe. cf hys ferP P P + = f B k B kh h). . . (22 1 + =||

\|+Tdtdtdb02. .1. (I. 8) O : B : Variation maximale de la densit de flux dans la zone de calcul (T) T : Priode lectrique (lec . 2 ) f :Frquence (Hz) kh1 et kh2 :Coefficients de hystrsis :Coefficient de courant de Foucault Lesvaleursdescoefficientssontdterminespartirdescaractristiquesdes matriauxmagntiquesutiliss.Ilavalidcemodlepourplusieurstypesdematriaux magntiquespardesmesuresexprimentales.Danscettethse,nousutilisonscemodleet lvaluons pour le calcul des pertes fer sur un cycle de fonctionnement. I.6. Nouveauxenjeuxdelaconceptionoptimaledemachines lectriques pour la traction hybride lectriqueNousavonsprsentprcdemmentdesmodlesdepertescuivreetdepertesfer dans les machines lectriques. Ils ont t appliqus dans plusieurs domaines, notamment la tractiondontlestractionslectriqueethybridesontlesapplicationsbiendveloppesces dernires annes. Danslaproblmatiquedeloptimisationdesmachineslectriquespourlapplication de traction hybride lectrique, les caractristiques requises dans le plan Couple-Vitesse sont engnralrsumessouslacaractristiquedepuissancemaximalecouverteparlespoints suivants : le point la vitesse de base, le point grande vitesse (Figure 0. 1), etc..[1.18], [1.24], [1.30], [1.34], [1.39]. Lefaitquuncycledefonctionnementsoitrduitquelquespointsde fonctionnementsebaseprincipalementsurlhypothsequesilesmachinesatteignentces points,ellespourrontatteindretouslesautrespoints.Uneautrehypothsesouventutilise estquelensembleconvertisseur-machinefonctionnelaplupartdutempsducyclesurces pointsl[1.41-1.43],[1.51-1.52],[1.55],[1.70],[1.97-1.98].Parexemple,dans20%du tempsdefonctionnementlamachinefonctionneaupointdebase,10%aupointgrande vitesse et 70% au point le plus sollicit. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 22 Ceshypothsesfacilitentlutilisationdemodleslectromagntiquesbienmaitriss poursimplifierlesdmarchesdoptimisationdesmachineslectriques.Cestlaraisonpour laquellelhypothsequelesmachinesoptimisespourcespointsdecalculsontaussi satisfaites pour lensemble du cycle a t faite. Pourtant,pourchaquecahierdescharges,nouspouvonsobtenirunemachine optimise diffrente. Et quand nous ajoutons un point de fonctionnement dans le cahier des charges,lasolutionoptimalevarie.Alorsquunemachinelectriquepourcesapplications fonctionnenonseulementsurquelquespointsmaisaussisurlensembleducycle comprenantdescentainesdepoints.Cestlaraisonpourlaquelle,nousavonspropos ltudesurloptimisationdesmachineslectriquessurlensembledespointsdfinissantle cycle ou les cycles. Deplus,ledfluxagedanslesmachineslectriquesauxvitessessuprieuresla vitesse de base est un problme complexe qui est li fortement au problme de minimisation despertes,notammentpourlesmachinesaimantspermanents.Danslaproblmatique doptimisation,lapriseencomptedecetteproblmatiquepourplusieurspointsdecalcula rarement t tudie. Cestpourcesraisonsquilestncessairedavoirdesmodleslectromagntiques permettantdecalculerlesperteslectriquesetmagntiquesnonseulementsurquelques pointsdefonctionnementmaissurtoutsurlensembledespointsducycle.Cette problmatique a t pose depuis quelques temps et paraissait trs importante et intressante pour plusieurs chercheurs dans ce domaine. Eneffet,dans[1.27],[1.35],[1.38],[1.61],[1.87-1.89],[1.92],[1.95],[1.99-1.101], lesauteursontprsentdesmthodesdecalculdespertesfervideenfonctiondela frquence (ou la vitesse dsire). Les modles de pertes prsents sont bass sur lutilisation delacomposantefondamentaledeladensitdeflux,ouentenantcomptedeses harmoniques.Lavantage de ces mthodes est de pouvoir calculer les pertes fer vide pour touteslesvaleursdevitessesdemandes.Cetypedemthodedecalculpermetdecalculer galement les pertes en charges pour un couple donn et pour diffrentes vitesses demandes [1.38], [1.87-1.88], [1.101]. Le modle dvelopp par Prof. K. Yamazaki [1.87-1.88] est une rfrence pour ce type de calcul : cf hys ferP P P + = = = =|||

\|+=NEiNjijmNjijmri hipiprB BVTD K1 1212) ( ) (2 =+ +|||

\||||

\|+|||

\|+ironnkk k krkr edvtB BtB BnD K.1.2121212 (I. 9) tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 23 O : t : Division de temps de la densit de flux (sec) D : Densit de plaque dacier lectrique n :Nombre total de divisions durant une priode lectrique rB :Composante radiale de la densit de flux (T) B :Composante priphrique de la densit de flux (T) Pour ce modle, les valeurs de coefficients de pertes fer sont constantes. Les auteurs de[1.89]ontdoncprsentunmodleamliorpouvantcalculerlespertesfervideen fonction de la frquence en tenant compte de linfluence des variations de flux et de vitesse sur ces coefficients des pertes. cf hys ferP P P + = = = =|||

\|+=NEiNjijmijm hNjijmrijmr hriipiprB B f K B B f KVTD1 1212) ).( , ( ) ).( , (2 =+ +|||

\||||

\|+|||

\|+ironnkk kekrkrr erdvtB BB f KtB BB f KnD. ). , ( ). , (1.2121212 (I. 10) Cemodlepeutamliorerconsidrablementlaprcisionducalcul.Pourtant,ces coefficients dpendent non seulement de la frquence mais aussi de la densit de flux. Ce fait augmente la complexit des calculs. Pour simplifier la complexit de ce modle, les auteurs de[1.22],[1.29],[1.40]ontprsentunmodlebassurcelui-cidontlescoefficientsne dpendent que de la frquence. Do ils ont dvelopp une mthode de calcul des pertes fer sur cycle defonctionnement du vhicule. Une telle mthode a tgalement propose dans [1.63]. Pourtant, les mthodes de calcul de pertes sur cycle prsents sont uniquement pour lemode vide ,sanstenircomptedudfluxagedanslesmachines.Ainsi,lesauteurs nont pas pu formaliser ces modles pour pouvoir les adapter un calcul des pertes en charge sur cycle. Dans notre tude, partir du modle des pertes fer (I. 8), nous avons pudvelopper des modles de pertes fer pour les calculer sur lensemble dun cycle de fonctionnement dans lesdeuxcas :videetenchargequenousprsenteronsdanslechapitresuivant.Ces mthodesdecalculserontappliquespourplusieurscyclesdefonctionnementetpour plusieurs machines synchrones aimants permanents. Pour les cycles de fonctionnement du vhicule, nous prsentons dans la Figure I.8 les caractristiquesducoupleetdelavitesseenfonctiondutempsdelamachinelectrique adopte:NEDC(ouNewEuropeanDrivingCycle),Artemis-Urbain(pouruneapplication urbaine) et Artemis-Routier (pour une application routire).tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 24 0 200 400 600 800 1000 1200-50050100Temps (sec)Couple (Nm)0 200 400 600 800 1000 12000200040006000800010000Temps (sec)Vitesse (tr/min) (a) Couple et vitesse durant le cycle NEDC 0 200 400 600 800 1000-100-50050100150200Temps (sec)Couple (Nm)0 200 400 600 800 1000010002000300040005000Temps (sec)Vitesse (tr/min) (b) Couple et vitesse durant le cycle Artemis-Urbain 0 200 400 600 800 1000 1200-150-100-50050100150Temps (sec)Couple (Nm)0 200 400 600 800 1000 12000200040006000800010000Temps (sec)Vitesse (tr/min) (c) Couple et vitesse durant le cycle Artemis-Routier Figure I.8. Caractristiques requises de la machine lectrique sur les cycles de fonctionnement LecycleNEDC,galementappelleMotorVehicleEmissionsGroup(MVEG), est un cycle de conduite automobile conu pour imiter de faon reproductible les conditions rencontressurlesrouteseuropennes.Ilestprincipalementutilispourlamesuredela consommationetdesmissionspolluantesdesvhicules.Leprincipedececycleestun scnario faitd'acclrations/dclrationsetdepaliersdevitessesurunedurede20 minutes.Lavitessetoutmomentdutestdoittremaintenuedansuncertaincartde tolrance autour de la consigne [1.102]. LecycleNEDC(FigureI.8)prsentelescaractristiquesrequisesdelamachine lectrique. Ce sont des valeurs de la vitesse de rotation et du couple de la machine lectrique tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 25 associe.Lesvaleursnumriquesdesvitessesetdescouplessontparticuliresune applicationetdpendentdepleinsdeparamtresdontlesprincipauxsontlamassedu vhicule et le rapport du rducteur mcanique. Lesprincipesdesdeuxautrescyclessebasentgalementsurcettemthodede mesuremaispourimiterlefonctionnementdansdeuxdiffrenteszonesgographiques (urbaine et routire). En fait, notre tude concernant ces trois cycles de fonctionnement se concentre donc autourdelamachinelectrique.Laspectsystme,c'est--direlinteractionentreles lmentsdelachainedetractionnestpasexplore,maislebesoin,c'est--direla performance souhaite est bien prise en compte partir dun cycle qui est fonction du temps et du besoin mcanique du systme (couple et vitesse). Ledveloppementdesapplicationsdevhiculeshybrideslectriquesdemandede nouvellestechnologiesdemachineslectriquesplusconomiques.Or,lerendementdes machines lectriques est fortement li aux pertes dnergie lectrique. Le besoin des modles depertesprcisestncessairepourpouvoircomparerlesperformancesdesmachines lectriques adoptes et les optimiser pour ces applications. Outre la prcision des calculs, les modlesdepertesdoiventtrecapablesdecalculersurlensembleducyclede fonctionnement du vhicule qui se reprsente par des centaines de points de fonctionnement. Cestpourquoi,loptimisationdesmachineslectriquessurlensembleducyclede fonctionnementestundesnouveauxenjeuxpourlaconceptiondesmachineslectriques pour ces applications. Dans la suite, nous nous proposons de commencer par prsenter les configurations et lesprincipesdefonctionnementdesmachineslectriquesslectionnes,quenousallons optimiserparlasuite.Ensuite,nousprsenteronslesdmarchesdemodlisation2Ddes machineslectriquesparlelogicieldlmentsfinisFiniteElementMethodMagnetics (FEMM)quiatdveloppparDavidMeeker[1.103].Puis,aprsavoirmodlisles caractristiqueslectromagntiquesdesmachineslectriques,nousproposeronsdtudier linfluencedequelquesvariablesgomtriquesetmagntiquessurlesperformancesdes machines lectriques. I.7. Prsentation et principe des machines lectriques tudies Dans le cadre du projet ANR-PREDIT-MEEI (Machines Electriques et Electroniques Intgre), nous nous sommes intresss tudier un type du rotor de la machine synchrone aimants permanents concentration de flux. Ce rotor a fait lobjet du brevet de Leroy Somer (LS) n FR 2932618-B1 dpos en 2008 (Figure I.9) [1.104]. Laprsenteinventionconcerneunrotor(1)demachinelectriquetournante aimants permanents (7) et concentration de flux, comportant [1.104] : tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 26 Un arbre (2) s'tendant selon l'axe de rotation (X) du rotor (1) Une masse rotorique (3) dispose sur l'arbre (2), la masse rotorique (3) comportant : oUne ouverture centrale (4) pour son montage sur l'arbre (2) oDeslogements(5)orientsradialementdanslesquelslesaimants permanents (7) sont disposs oEtdansaumoinsunintervalleangulaire(40)sparantdeuxlogements(5) conscutifs,aumoinsunvidement(6)nedbouchantnisurl'ouverture centrale (4) ni sur les deux logements (5) conscutifs, ce ou ces videments (6) situs dans ledit intervalle occupant une tendue angulaire (a) autour de l'axe de rotation (X) du rotor (1) suprieure ou gale la moiti de l'tendue angulaire () dudit intervalle (40) . Figure I.9.Rotor aimants permanents de Leroy Somer (Brevet FR 2932618-B1) Ces rotors concentration de flux possdent une masse rotorique dans laquelle sont logs des aimants. Ces aimants sont engags dans les logements orients radialement . Unteltypedurotorpossdeunavantage.Ilestpossibledobtenirdesinductions moyennesdanslentrefersuprieureslinductiondetravaildesaimants.Cetavantage permet dabaisser le cot de la machine en utilisant des aimants base de ferrites. En outre, ilpermetdaugmenterlacompacitdelamachinedanslecasdelutilisationdaimants basedeterresrares .Desperformancesdunemachinecomportantuntelrotorontt prsentes dans [1.105]. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 27 De plus, les pertes magntiques doivent tre rduites au niveau du rotor. En effet, les vidementscrentdeszonesentrelesaimantspermanentsolefluxmagntiquenepeut circuleraismentverslarbre,etdecefaitlimitentlebouclagedufluxmagntiqueversla partieradialementintrieuredurotor,c'est--dire,lesfuitesverslarbre.Donc,leflux magntique des aimants permanents doit se reboucler au niveau du stator et non au niveau du rotor ou de larbre du rotor. Particulirement, lecontourextrieurdelamasserotoriquepeuttrecirculaireou multilob(FigureI.9).Uneformemultilobepeuttreutileparexemplepourrduireles ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension .Une telle forme peut rendre la forme du flux plus sinusodale (Figure I.11). Pour justifier la forme spciale des aimants, nous comparons lamplitude et la forme dufluxvidedesdeuxmachines.Luneporteuntelrotorinitialetlautreporteunrotor avecdesaimantsrectangulaires(FigureI.10).Lesdiffrencesentrecesdeuxmachines restent uniquement au niveau de la forme des aimants.

(a) forme spciale des aimants (b) forme rectangulaire des aimants Figure I.10. Gomtries des deux machines dont le rotor portent deux formes diffrentes des aimants Nous trouvons qu partir de la Figure I.11, lamplitude du flux vide obtenue avec la formespcialedesaimantsestpluslevequecelleobtenueaveclaformerectangulaire.La concentration de flux est donc plus importante avec cette forme spciale des aimants (10 %). tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 28 0 60 120 180 240 300 360-4-2024Angle lectrique ()Flux (mWb) forme spcialeforme rectangulaire Figure I.11. Flux vide par spire pour les deux formes diffrentes des aimants Danslecadredenotretude,nousutilisonslesmodlisationsnumriquesparla mthode des lments finis. Le nombre dlments dcide le temps dun calcul. Ce temps de calcul dpend donc des gomtries de la machine. Le nombre dlments devient important quandlagomtrieportedesformesrondesetdepetitesdimensions.Danscecasl,le temps de calcul devient important. LagomtriedurotorprsentdanslaFigureI.9portedetelsdtailsavecdes videments vers larbre et la forme multilob lextrieur du rotor. Cette gomtrie demande ungrandnombredlmentslorsdumaillage,donc,untempsdecalculimportant.Pourle justifier, nous faisons une comparaison des temps dun calcul pour deux diffrents rotors. Le rotormodifiadesmodificationsauniveaudelaformespcialeauniveaudentreferetau niveau des videments au niveau de larbre (Figure I.12). (a) rotor initiale(b) rotor modifi Figure I.12. Gomtries des deux machines portant deux rotors diffrents tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 29 Tableau I. 1. Comparaison du temps dun calcul pour les deux machines ParamtreRotor initialRotor modifi Nombre dlments6623024540 Temps de maillage et de rsolution pour un calcul (sec) 609 Comparant le nombre de mailles et le temps dun calcul pour chaque machine, nous trouvons que la machine portant le rotor modifi est plus avantageuse. Elle a un nombre de maillesbienplusfaiblequelamachineinitiale.Particulirement,pouruncalcul,elle demande un temps beaucoup plus faible, ce qui est trs important et trs avantageux pour la modlisation numrique et surtout pour loptimisation avec un grand nombre de calcul. Nouscomparonsgalementlefluxvidedesdeuxmachinespourpouvoirmontrer lintrt de ce rotor modifi. 0 60 120 180 240 300 360-6-4-20246Angle lectrique ()Flux (mWb) rotor initialrotor modifi Figure I.13. Flux vide par spire pour les deux machines portant deux rotors diffrents Nous trouvons qu partir de laFigureI.13, lamplitude du flux vide avec lerotor modifi est plus leve que celle obtenue avec le rotor initial. En effet, le rotor modifi vite produiredesfuitesverslarbredelamachine,cequiestlecasdurotorinitial.Donc,la concentration de flux vers la dent statorique est plus importante que celle avec le rotor initial. Cestpourcesraisons,ainsiafindefaciliterlesmodlisationsetlescalculs,nous avonsdciddechoisirletypederotormodifipournotretude(FigureI.14).Cette structure du rotor profite des intrts de linvention originelle en termes de concentration de flux par la forme des aimants permanents. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 30 Figure I.14.Rotor simplifi de la machine synchrone aimants permanents concentration de flux Eneffet,cerotorportedesaimantsavecleurformespcialepouraugmenterla concentration de flux. Ainsi, les ergots au niveau de lentrefer amliorent la tenue mcanique des aimants pendant la rotation. Ensebasantsurcerotor,nousavonsdveloppquatreconfigurationsdemachines pour lapplication de la traction hybride.Le choix de ces quatre machines a t fait daprs une premire tude des performances de plusieurs configurations de machines synchrones aimants permanents, sur le critre de maximiser le rapport couple/pertes cuivre. Lapremiremachineestunemachinesynchroneconcentrationdeflux(MSCF) 12 encoches au stator avec les bobinages concentrs en gardant le rotor 8 aimants (Figure I.15).Cettestructureoffrelavantagedesbobinagesconcentrs(pertescuivrerduites). Nous la nommerons MSCF 12-8. La deuxime machine est aussi une MSCF (Figure I.16) 12 encoches au stator avec les bobinagesconcentrs mais son rotor possde16 aimants.Lintrt decette structureest depouvoirdonnerunedensitdecoupleplusimportanteparcequilyaplusdaimants. Ainsi,elleprofitedelavantagedesbobinagesconcentrs.NouslanommeronsMSCF12-16. Lestroisimeetquatrimepropositionssontlesmachinesbobinagesrpartisavec 48encochesaustator(FigureI.17etFigureI.18).Ellessontconsidrescommeles machines de rfrence. La troisime machine (MSCF 48-8) se base galement sur le principe de la concentration de flux en gardant le rotor 8 aimants alors que la quatrime reprsente lesmachinesclassiquesaimantsensurfacedurotor(MSAP48-8)quiestletypede machine trs rpandu. Lechoixdecesquatremachinesoffreunetudecomparativedesmachinesde diffrents types de bobinage et de diffrents positionnements de laimant. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 31 I.7.1. MSCF 12-8 Dans le cas de cette machine 8 ples, nous avons 8 aimants disposs radialement au rotor et 12 bobines concentres et disposes autour des dents statoriques (Figure I.15). Donc, nous pouvons dterminer le nombre fractionnaire dencoches par ple et par phase Nepp = 1 [1.27], [1.106 1.109] : q pNNeepp. . 2= (I. 11) O : Nepp : Nombre dencoches par ple et par phase Ne : Nombre dencoches p :Nombre de paires de ples q :Nombre de phases Figure I.15.MSCF 12-8

Pourquoinouslappelonslamachinesynchroneconcentrationdeflux ?Les aimantssontsparspardestlesrotoriquesquipermettentdecanaliserlefluxcretde lacheminer jusqu lentrefer de la structure (Figure I.15). Donc, les lignes du flux cr par unaimantcirculentdanslestlesrotoriques,traversentlentreferetpuisladentstatorique. Elles circulent ensuite dans la culasse du stator et traversent lautre dent et, enfin reviennent vers laimant, et lentrefer). Cest--dire que le flux cr par un aimant circule et puis revient lui-mme. Grce la concentration de flux cre par deux aimants de deux ples proches (FigureI.15,ladensitdeflux traversantlentreferdevientplusimportante,donc,ellepeut crer un couple massique plus important. Deplus,cettemachineadesbobinagesconcentrsautourdesdentsdustatorquise retrouventdansles12encoches.Grcecetypedebobinage,nouspouvonsobtenirun coefficient de remplissage plus lev que le type de bobinage classique (diamtral).tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 32 I.7.2. MSCF 12-16 Ladeuximeconfigurationproposeatdveloppeenmultipliantpardeuxle nombre de ples au rotor. Par consquent, cette machine possde 12 bobines disposes dans les 24 encochesau stator et 16 aimantsau rotor(FigureI.16). Cesaimants sont magntiss dune faon azimutale. Le nombre dencoches par ple et par phase est de Nepp = . Donc, elle est galement une MSCF et encochage fractionnaire. Commelaconfigurationprcdente,lacirculationdeslignesdufluxcrpardes aimants de cette machine sont illustres dans la (FigureI.16). Elle se base galement sur le principe de concentration de flux. Cesdeuxpremiresmachinesprsentesontdesbobinagesconcentrs.Cetypede bobinage permet datteindre un meilleur coefficient de remplissage dencoche [1.28], [1.109 1.110]. Grce leffet de courtes ttes de bobines, elles ont gnralement moins de pertes cuivre,ainsiquunegrandedensitdepuissancepourlammesectiondebobinageetla mmedensitdecourant.Alors,cesdeuxMSCFpeuventcombinerlesavantagesdela concentration de flux, ainsi que ceux du bobinage concentr. Deplus,lesintrtsdesstructuresencochagefractionnaireparrapportdes machinesclassiques,uneencocheparpleetparphase,onttmontrsdansplusieurs rfrences[1.27-1.28],[1.1061.111],telsquelarductiondondulationsducouple,la rduction du bruit acoustique [1.111], une grande densit de couple grce un grand nombre deples[1.107],etc.Pourtant,commeelleaunnombredeplesplusgrand,donc,une frquence lectrique plus leve, elle risque davoir des pertes fer plus importantes. Figure I.16.MSCF 12-16 Lesdeuxpremiresconfigurationsproposespourcettetudereprsententdoncdes avantagesimportants :uncouplemassiquelev,uneconcentrationdeflux,unbon coefficientderemplissagedencoche,defaiblesharmoniquesdelaFEMduesleffetde deux bobines par encoche [1.112], etc. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 33 I.7.3. MSCF 48-8 La troisime configuration propose a t dveloppe partir de la premire en gardant le mme rotor et en modifiant le stator en adoptant des bobinages rpartis. Elle a dans ce cas 48 encoches au stator, donc, le nombre dencoches par ple et par phase est gal Nepp = 2 (Figure I.17). Elle est galement une MSCF mais encochage entier. Comme cette machine a le mme rotor que la MSCF 12-8, mais aux bobinages rpartis alorsquelaMSCF12-8estauxbobinagesconcentrs.Ellepeuttreunemachinede rfrenceparrapportlaMSCF12-8danslebutdemontrerlinfluencedestypesde bobinage sur les performances des machines. La diffrence des types de bobinage rend celle desvaleursducoefficientderemplissage,cequipeutinfluencersurlesvaleursdespertes lectriques. Deplus,cettemachinealemmetypedurotorparrapportauxdeuxpremires machines, avec le principe de concentration de flux. Ltude de cette machine peut montrer linfluence des types de bobinage (concentr ou diamtral) sur la concentration de flux. Figure I.17.MSCF 48-8 I.7.4. MSAP 48-8 Laquatrimeconfigurationproposeatdveloppepartirdelatroisimeen gardant le mme statoret en modifiant le positionnement des aimants aurotor. Dans lecas de cette machines 8 ples, nous avons 8 aimants colls la surface du rotor (Figure I.18). Cettemachinepossdedesaimantscollsensurfacedurotor,donc,laculasse rotorique sert non seulement la tenue mcanique mais aussi lacheminement du flux cr par des aimants. Une telle structure bnficie des avantages de MSAP comme la simplicit, lacompacit,unedensitdecoupleimportant,etc.Pourtant,elleconnaitgalementdes points faibles sa tenue mcanique. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 34 Figure I.18.MSAP 48-8 Dailleurs,cesdeuxstructuresauxbobinagesrpartisontdesinconvnients,tels quunvolumeimportantdesttesdebobinesetladifficultdudfluxagequenous justifierons dans les chapitres suivants. Cesdeuxderniresmachinesonttproposesparcequellessontdesrfrences pourlacomparaisonaveclesdeuxpremiresmachines.Ladiffrenceentrecesquatre machines se situe au niveau : du type de bobinage du positionnement des aimants du type de machine encochage entier ou fractionnaire Ces lments peuvent crer des comparaisons intressantes quant leurs performances. Pourfaciliterlalecturedecettethse,nousnouspermettonsdenommercesquatre machinessousleursnoms rsumsMSCF12-8,MSCF12-16,MSCF48-8etMSAP48-8 respectivement pour les quatre configurations proposes. Notrechoixdesquatremachinesprsentesci-dessusdoitpermettredemenerdes tudes comparatives sur dautres types de machines synchrones telles que celles bobinages fractionnaires,lesdiffrentstypesdebobinagesconcentrs( simplelayer , double layer et plus), etc. I.8. Modlisation des machines lectriques LeprincipedefonctionnementdesMSAPprsentesdanslapartieprcdentemet envidencelexistencedetrajetsdeflux2Dquisontdestrajetsprincipauxdufluxdes aimants permanents. Dans le cadre de notre tude, nous ne prenons pas en compte les effets 3D dans les MSAP. En consquence, en ngligeant les fuites de flux 3D, nous avons propos unmodlelmentsfinis2Dpourmodlisercesmachineslectriques.Nousnous tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 35 permettonsalorsdeprsenterlesdiffrentestapesncessairespourltablissementdece modle au moyen dun code libre FEMM version 4.2. Le choix de ce code se base sur la simplicit dusage en assurant la bonne prcision par rapport aux autres codes commerciaux. Ledveloppementdecemodle2Dsedrouleensepttapesquenousdtaillerons dans les parties suivantes : choix de la formulation, dfinition de la gomtrie, dfinition du maillage,attributiondesmatriaux,dfinitiondesconditionsauxlimites,analyseet rsolution, et enfin post-traitement. Lesoutilsdedessindulogicielpermettentdedessinerlagomtriecompltedune machinequelconque.Enoutre,nouspouvonsprogrammerledessin.Cestlecasdenotre utilisation,danslebutdepouvoircriredesprogrammesdecalculscomplexespourle problme de couplage avec loutil Matlab et celui doptimisation. Lescodesdedessinpermettentaussidedfinirlaprcisiondechaquepartie gomtrique,cequiestncessaireentermesdetempsdecalculetdeprcisiondersultat, notammentdanslazonedentrefer.Unefoisledessin2Dralisetlemaillageeffectu,le respect de la gomtrie 3D est assur automatiquement suivant laxe de la machine. Donc, le maillage a la mme qualit sur toute la longueur active de la machine. A la (Figure I.19) est prsent le dessin gomtrique et le maillage dune MSCF 12-8 parexemple.Ilcomprenddiffrentsmatriaux :lair,lematriaumagntique,lesaimants permanents et les bobinages. Figure I.19.Exemple de la gomtrie et du maillage dune machine Danslecadredeceprojet,nousavonsuncahierdeschargesfix,ilyadoncdes donnes importantes telles que le rayon extrieur (200 mm), la longueuractive(200 mm), le matriaumagntiqueuniqueM330-35,lentrefer(0,6mm),rayondarbreminimal(25mm), etc.Cestpourquoidansunpremiertemps,nousnouspermettonsdeprsenterlesquatre machinesderfrencepourdestudesprliminaires.Ellesnesontvidemmentpasencore optimises mais lobjectif de ce choix est de prsenter des caractristiques lectromagntiques desmachines.Lafigureetletableausuivantsprsententleursparamtres.Pourlesquatre machines, la largeur de la dent a t mis gale louverture de lencoche. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 36 (a) MSCF (b) MSAP Figure I.20.Extrait gomtrique dun quart des machines Tableau I. 2. Paramtres des machines lectriques de rfrence ParamtreSymboleMSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Nombre dencochesNe 24244848 Nombre de paires de plesp4844 Coefficient de remplissagekb 0,60,60,350,35 Induction rmanente de laimant (T) Br1111 Rayon externe (mm)Rsext 100100100100 Longueur active (mm)La 200200200200 Longueur des ttes de bobines (mm) Lttes 30306060 Rayon de lentrefer (mm)Re 70707070 Rayon darbre (mm)Ra 25252544.4 Ea2 Ra Re Hc EaRsext Ld Aimants Ra Re Ea Hc Rsext Ld Aimants tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 37 Entrefer (mm)e0,60,60,60,6 Largeur de la dent (mm)Ld 18,318,34,64,6 Epaisseur de la culasse statorique (mm) Hc 9,159,156,96,9 Epaisseur de laimant au niveau de lentrefer (mm) Ea1 666- Epaisseur de laimant au niveau de larbre (mm) Ea2 9,69,69,6- Epaisseur de laimant (mm)Ea ---6 Section dune encoche (mm2) Sb247247141141 A la figure suivante sont prsentes la gomtrie, le maillage, les lignes de flux et la densit de flux dans les machines tudies, au cas non-linaire.

(a) MSCF 12-8 (b) MSCF 12-16 (c) MSCF 48-8(d) MSAP 48-8 Figure I.21.Gomtrie, maillage, lignes de flux vide et densit de flux pour les quatre machines Zoom des ergots tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 38 Nousavonstrouvquelasaturationmagntiquedanslesergotsautourdesaimants dans les MSCF est trs leve (autour de 3 T et plus), notamment dans la MSCF 12-16 car elle a un nombre double daimants, donc, un taux de concentration plus lev. Par exemple, dans la figure suivante, un zoom extrait des ergots de la Figure I.21.b, la densit de flux peut atteindre une valeur de 4 T 5 T dans le coin de laimant. Figure I.22.Zoom des densits de flux dans les ergots pour la MSCF 12-16 NousavonstrouvgalementqueleslignesdefluxdanslestroismachinesMSCF 12-8,MSCF48-8etMSAP48-8traversentcorrectementlentreferetlaculassestatorique. AlorsquelaMSCF12-16adesfuitesoudescourts-circuitsmagntiquesentredesples rotoriques et des dents statoriques sans traverser la culasse statorique (Figure I.21.b). Encomparantdesdensitsdefluxdanslestatordesdeuxmachinesauxbobinages rpartis(laMSCF48-8etlaMSAP48-8),nousavonstrouvpeudediffrence(Figure I.21.c et Figure I.21.d). Par exemple les densits de flux dans la culasse statorique des deux machinesvariententre1,8T2,2T.C'est--direquelaconcentrationdefluxapportepeu davantage sur les machines aux bobinages rpartis avec une grande valeur de Br (1 T dans cecas).Commeellesontlemmestator,etellesontlesmmesinductionsdanslestator, elles offrent presque un mme couple (Figure I.25). FigureI.23etFigureI.24prsententlefluxvideparspireetsescomposantes harmoniques pour les quatre machines de rfrence. 0 60 120 180 240 300 360-8-6-4-202468Angle lectrique ()Flux (mWb) MSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Figure I.23.Flux vide par spire tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 39 0 5 10 15 200246810HarmoniqueAmplitude de flux, mWb MSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Figure I.24.Harmoniques du flux vide Les valeurs du flux vide des quatre machines sont presque identiques (Figure I.23). La forme du flux est presque sinusodale pour toutes les machines car nous voyons trs peu dharmoniques de flux, notamment les machines MSCF 12-8 et MSCF 12-16 (Figure I.24). PourlesMSAP,normalement,lecoupleinstantanestlasommedetroiscouples lmentaires : dtente hybride ce rluc totalC C C C + + =tan (I. 12) Le couple de rluctanceest li la variation de la rluctance ducircuit magntique, vue par le flux du stator, en fonction de la position du rotor. Le couple hybride rsulte de linteraction entre le flux statorique et le flux rotorique, dans les machines aimants permanents, cest linteraction entre le flux cr par les aimants et celui des enroulements. Le couple de dtente est li la variation de la rluctance du circuit magntique, vue parlefluxrotorique,enfonctiondelapositiondurotor.Cedernierpossdeunevaleur moyenne nulle, mais peut tre responsable dondulations de couple gnantes. Selon le type de machine, la valeur dun des couples lmentaires peut tre faible ou constituerlacomposanteessentielleducoupletotal(partducouplededtente).Pourles MSAPparexemple,lecouplederluctanceestngligeable.Lecouplehybrideestdoncle couple principal de la machine. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 40 0 50 100 150 200 250 300 3500200400600800Angle lectrique ()Couple (Nm) MSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Figure I.25.Couple instantan pendant 360 lectrique pour 10 A/mm2 0 2 4 6 8 100100200300400500600q (A/mm2)Couple (Nm) MSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Figure I.26.Couple moyen en fonction de la densit de courant qNousavonstrouvquelaMSCF12-16dveloppeuncouplenettementlevparmi les quatre machine (564 Nm). Le couple dpend du nombre de paires de ples, du courant et dufluxvide.LaMSCF12-8etlaMSCF12-16ontlesmmesdimensions,mmeflux vide (FigureI.23). Maisla MSCF 12-16 possdeun nombre de ples deux fois plus grand. Donc, pour un mme courant, elle dveloppe un couple deux fois plus grand que celui de la MSCF 12-8. Par rapport aux deux machines bobinages rpartis MSCF 48-8 et MSAP 48-8, elleanonseulementlenombredeplesdeuxfoisplusgrand,maisaussiunmeilleur coefficientderemplissage,quipermettentdobteniruncouplebeaucoupplusimportant (presque 3 fois). Tableau I. 3. Couple dans les machines lectriques de rfrence ParamtreSymbole MSCF 12-8 MSCF 12-16 MSCF 48-8 MSAP 48-8 Couple moyen (Nm)Cmoy 274554188200 Ondulation du couple moyCC CCmin max = 56 %51 %94 %33 % Section dune bobine, (mm2) Sb 247247141141 tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 41 Lestroismachineshuitplesquantellesontpresquelemmefluxvide. Pourtant,pourunemmevaleurdeladensitdecourantinject,lesdeuxmachines bobinages rpartis donnent un couple moyen le plus faible, autour de 200 Nm, lorsque celui obtenuparlaMSCF12-8estde274Nm.Celamontreclairementlavantagedubobinage concentr qui offre un courant plus important dans les bobines. Cependantauniveaudesondulationsdecouple,nousavonstrouvquepourles machines concentrations de flux, il y a une grande valeur, notamment la MSCF 48-8 alors que la MSAP 48-8 en a beaucoup moins. Cela est expliqu par le fait que la MSAP 48-8 est unemachinesynchronedetype"rotorlisse"alorsquelestroisMSCFsontdesmachines synchronesdetype"rotorsaillant".Commenouslavonsprciseprcdemment,cette saillanceestlorigineducouplededtente.La(FigureI.27)amontrquelesdeux machines bobinages rpartis sont plus avantageuses, surtout la MSAP 48-8. 0 60 120 180 240 300 360-100-50050100Angle lectrique ()Couple (Nm) MSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Figure I.27.Couple de dtente Pour avoir une vue plus claire sur les performances des machines, nous nous sommes intresss tudier la caractristique du couple en fonction des pertes cuivre des machines. Pour cela, en connaissant la valeur de la section des bobines, en prenant en compte des ttes de bobines, nous pouvons calculer la valeur des pertes cuivre par la formule suivante : Pour la MSCF 12-8 et la MSCF 12-16 : 6 210 . ). 24 . . .( . b b cu cu cuS k L P = (I. 13) Pour la MSCF 48-8 et la MSAP 48-8 : 6 210 . ). 48 . . .( . b b cu cu cuS k L P = (I. 14) tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 42 O : kb :Coefficient de remplissage dencoche Sb :Section dune bobine (mm2) cu:Rsistivit du cuivre ( m ) : Valeur efficace de la densit de courant (A/mm2) bN :Nombre de bobines Lcu :Longueur quivalente du cuivre de la machine (m) ttes a cuL L L + = (I. 15) La : Longueur active de la machine (m) Lttes :Longueur des ttes de bobines (m) Nousnousintressonstudierlinfluenceducoefficientderemplissage(kb=0,35pourlebobinagerpartietkb=0,6pourlebobinageconcentrautourdunedent)etdes ttes de bobines dans les quatre machines. 0 2 4 6 8 1001000200030004000q (A/mm2)Pertes cuivre (W) MSCF 12-8 et MSCF 12-16MSCF 48-8 et MSAP 48-8 Figure I.28.Pertes cuivre en fonction de la densit de courant q Alors,puisquelesdeuxmachinesbobinageconcentrontnonseulementun coefficient de remplissage plus important mais aussi des ttes de bobines plus courtes, elles dissipent donc moins des pertes cuivre pour une mme valeur de la densit de courantq . Nous prsentons dans la Figure I.29 la comparaison du couple en fonction des pertes cuivre. Cest une comparaison mcanique/nergtique dans les machines. tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 43 0 400 800 1200 1600 20000100200300400Pertes cuivre, WCouple, Nm MSCF 12-8MSCF 12-16MSCF 48-8MSAP 48-8 Figure I.29.Couple moyen en fonction des pertes cuivre Cersultatmontrequepourunemmevaleurdespertescuivredissipesdansles bobinages, la MSCF 12-16 peut atteindre le couple moyen le plus important, deux fois plus levqueceluiobtenuparlaMSCF12-8etenvirontroisfoispluslevqueceluides machines lectriques bobinages rpartis. Seloncespremirescomparaisons,lamachineMSCF12-16esttrsintressanteau niveauducouple.Pourtant,nouscontinuonstudierlesquatremachinesparcequilest intressant dtudier les pertes dans les machines, c'est--dire au niveau nergtique. I.9. Influence de certains variables sur les performances des machines Danscettepartie,noussouhaitonstudierlimpactdelavariationdesparamtres gomtriqueetmagntiquedemachineslectriquessurlacaractristiqueducouplemoyen enfonctiondespertescuivre.Nousnousintressonsdterminerdesparamtresqui permettrontdamliorerlesperformancesdesmachines.Chaqueparamtreestmodifien gardant constants les autres valeurs des paramtres. Commedanslecadreduprojet,nousavonsfixuneenveloppedesmachineslimite par le rayon extrieur de 100 mm, la longueuractive de 200 mm, le rayon darbre minimal de 25 mm et lpaisseur de lentrefer de 0,6 mm. Dans notre tude, nous dfinissons que la partie douverture de la dent est la mme que celle de lencoche. Les dimensions des ergots onttgalementfixes.Ayantfixcesparamtres,nousnoussommesdoncintresss tudier linfluence des paramtres suivants : -Le rayon dentrefer Re -Linduction rmanente de laimant permanent Br -Lpaisseur de la culasse Hc -Lpaisseur de laimant Ea1 (pour les MSCF) et Ea (pour la MSAP 48-8) -Le rayon darbre Ra Unefoisquenousconnaissonscesparamtres,nouspouvonsdoncdterminerles tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 44 autresparamtrespourobtenirunegomtriecompltedesmachines.Particulirement,le paramtreBrjoueunrleimportantsurlesperformancesdesmachines.Ilinfluence particulirement le flux vide et les pertes fer et cuivre. Comme les machines prsentes dans ce chapitre ne sont pas optimises, lobjectif de cette tude est de voir linfluence decertaines variables sur des performances de machines. Do, nous pouvons dfinir les intervalles des variables pour loptimisation. Cest pourquoi, dansunpremiertemps,noustudionsuniquementlinfluencedecesparamtressurle rapport couple/pertes cuivre. La comparaison des machines en prenant en compte les pertes fer sera prsente dans les chapitres suivants par le calcul des pertes sur cycle. I.9.1. Influence du rayon dentrefer Lerayondentreferjoueunrletrsimportantsurlavariationdesperformancesdes machines. Il fixe les volumes du cuivre, du fer et surtout des aimants permanents qui sont la sourceessentiellepourproduirelefluxetlecoupledanslesmachines.Danscettetude, nousfaisonsvarierlerayondentreferdunpasde5mmentre60%et85%durayon extrieurdelamachine(de60mm85mmdanscecasavecRsext=100mm),cequiest gnralement le cas dans les machines aimants permanents. LersultatprsentdanslaFigureI.30montrebienlinfluencedelavariationdece paramtre sur les performances des machines. 0 1000 2000 3000 40000100200300400Pertes cuivre , WCouple, Nm Re=60 mmRe=65 mmRe=70 mmRe=75 mmRe=80 mmRe=85 mm0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000200400600800Pertes cuivre , WCouple, Nm Re=60 mmRe=65 mmRe=70 mmRe=75 mmRe=80 mmRe=85 mm (a) MSCF 12-8 (b) MSCF 12-16 0 1000 2000 3000 4000050100150200250Pertes cuivre , WCouple, Nm Re=60 mmRe=65 mmRe=70 mmRe=75 mmRe=80 mmRe=85 mm0 1000 2000 3000 4000050100150200250Pertes cuivre , WCouple, Nm Re=60 mmRe=65 mmRe=70 mmRe=75 mmRe=80 mmRe=85 mm (c) MSCF 48-8(d) MSAP 48-8 Figure I.30.Influence du rayon dentrefer tel-00648727, version 2 - 13 Feb 2012 Chapitre I : Etat de lart et tude paramtrique des machines lectriques tudies 45 Regardonslescourbesavecmm mm Re75 60 = pourlestroisMSCF,nous trouvons que le rayon dentrefer est plus lev, le volume des aimants est plus lev et celui ducuivreestpluspetit. Enconsquence,lesaimantspermanentsproduisentplusdefluxet alors,pourunemmevaleurdespertescuivre,lecoupledevienteneffetpluslev.Etle rapportcouple/pertescuivredoiventatteindrelavaleurmaximalepourlesvaleursdeRe autour de 60 mm - 70 mm. Pourtant,deRe=75mmRe=85mm,lesperformancesdesmachinessontmoins bonnes.Eneffet,plusonaugmentelerayondentrefer,pluslaculassestatoriquedevient petite. A cause de la saturation, la machine ne peut pas donc atteindre une grande valeur du couplemmesilecourantinjectestgrand.Cestaussilaraisonpourlaquellenousne pouvons pas augmenter le rayon dentrefer une trs grande valeur (> 90 mm par exemple). De plus, la tenue mcanique est moins bonne quand la culasse statorique est trs mince. Pour la MSAP 48-8, nous avons trou