Comparaison de machines à aimants permanents pour la traction de véhicules électriques et ...

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by  Armando Fonseca

Comparaison de machines à aimants permanents pour la
traction de véhicules électriques et hybrides
Armando Fonseca
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Armando Fonseca. Comparaison de machines à aimants permanents pour la traction de véhicules
électriques et hybrides. Energie électrique. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG,
2000. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00688674￿
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INSTITUTNATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
LABORATOIRED'ELECTROTECHNIQUEDEGRENOBLE
N°attribuéparla bibliothèque
1_1-'_1-'-'-'-'-'-'-'
THESE
Pourobtenirlegradede
DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONALPOLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
Spécialité: GénieElectrique
Ecole doctorale: Électronique, Électrotechnique, AutomatiqueetTraitementduSignal
Présentéeetsoutenue publiquement
par
Armando FONSECA
IngénieurE.N.S.I.E.G.
Le28 septembre2000
Comparaison de machines à aimants permanents
pour la traction de véhicules électriques et hybrides
Médiathèque L.E.G.
Directeurde Thèse: E.N.S.I.E.G.
Jean-PaulYONNET [ 13 AYR. 2001 ]
67"7
JURY
Monsieur Jean Marie KAUFFMANN , Présidentet rapporteur
Monsieur Bernard MULTON ,Rapporteur
Monsieur Jean-PaulYONNET ,Directeurdethèse
Monsieur Christian CHILLET ,Co-encadrant
Monsieur Alex ROMAGNY ,Examinateur

Amesparentspourm'avoirconforté dansmeschoix,
ACharlottepoursonsoutien de touslesinstants,

Remerciements
Remerciements
Cette thèse résulte d'une collaboration, dans le cadre d'une convention CIFRE, entre la
direction de la recherche de la société RENAULT SA et le Laboratoire d'Electrotechnique de
Grenoble. Je remercieces deux partenaires pourle supportfinancier et matériel qu'ils ont mis à
madisposition.
Je tiens à remercier les membres du jury pour l'intérêt qu'ils ont porté à ce travail. Je
remercie M. Jean-Marie KAUFFMANN qui m'a fait l'honneur de présider ce jury et d'être
rapporteur de ces travaux. Je remercie aussi M. Bernard MULTON pour avoir accepté de
rapporter sur ces travaux. Je tenais particulièrement àle remercier pour les nombreux échanges
enrichissantsquenous avonseus.
Je remercie également Melle Anh-Linh BUI-VAN, M. Yves BERRIE, M. Philippe
LANGRYetM. Alex ROMAGNY pourlaconfiancequ'ils m'ont accordé en me permettantde
réalisercettethèse, ainsiquepouravoirsuivi ledéroulementdes études.
Je tiens très sincèrement à exprimertoute ma reconnaissance à M. Christian CHILLET
pour avoir accepté de m'encadrer pendant ces travaux. Je voudrai lui dire combien sa
disponibilitéde tous les instants, son sens critiqueet ses précieuxconseils scientifiques sonttrès
importants pourundoctorantperdus dans le labyrinthede larecherche.
Je remercie M. Jean-Paul YONNET de m'avoir accueilli au sein de l'équipe
«Matériaux magnétiques pour le génie électrique» et pour son suivi des travaux de la thèse,
ainsi que M. Jean-Pierre ROGNON, directeur du laboratoire, pour m'avoir permis de réaliser
cestravauxdethèsedansunenvironnementaussi favorable que leL.E.G.
Je voudrais aussi remercier:
M. Christian SCHAEFFER pour ses précieux conseils, et M. James ROUDET pour
leséchangesquenous avons pu avoirsurleserrementsd'unjeunedoctorant;
M. RobertPERRETpoursesmarquesdesoutienàdes momentsimportants;
M. Jean BIGEON pour son honnêteté scientifique et intellectuelle, et pour la force
avec laquelleildéfendsesconvictions ;
Les personnes avec lesquelles j'ai pu collaborer au cours des travaux de thèse. Je
remercie ainsi Thierry CHEVALIER pour ses explications sur les pertes fer et Eric
ATIENZApoursonparadisd'optimisation;
5
Remerciements
L'ensembledes personnesquej'aipucôtoyeraucoursdecestrois annéespassées au
LEG. Je remercie Eric ATIENZA pour son sens critique et ses précieux conseils. Je
remercie aussi, pour les nombreuses discussions diverses et variées, Jean;..Michel
GUICHON, Bertrand RAISON, Thierry CHEVALIER, Maxime BESACIER, Jimmy
LORANGE, Loig ALLAIN, Benoît DELINCHANT, Enaut MUJIKA OLASAGASTI,
JosebaARZA, FlorenceFRANCOIS, ...
J'adresse des pensées particulières à Basma BEL HABffi, Charlotte GILLOT, Laurent
CLAVELIER, Luc et Stéphanie THEVENON, Lionel FOURNIER, Phienthong
PHANTHAVONG, Patrice FLANDIN, Johan RANSQUIN, Jean-Michel DOUBLEIN, Patrick
BEGOU.Ces annéespasséesen votrecompagnieontététrès importantespourmoi.
Je remercie très sincèrement Valérie PHAM-TRONG, ainsi que Sébastien, Virginie et
EmelineVIALpoutleurbonnehumeurdetous lesinstants.
J'exprimeenfintoutemareconnaissanceenversmafamille: monépouse Charlotte, mes
sœurs Rose etVéronique, etleurs amours respectifs Yvan etRégis, pourleursoutiendetous les
instants. Je tiens à décerner une mention toute particulière à mon père José FONSECA envers
qui j'ai un profond respect. TI m'a en effet soutenu dans mes choix tout au long de ma longue
scolarité ...
Pour conclure, je remercie PICHU, célèbre oiseau du Pérou, pour les nombreux
momentsdedivertissements ... Bon voyage !
6
Sommaire
Sommaire
INTRODUCTION••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••..••••••••11
1LESMACHINESÀ AIMANTSPOURLATRACTIONÉLECTRIQUE 17
1.1.MA1ÉRIAUXMAGNÉTIQUESPOURLESMACHINESÉLECTRIQUES...............•....•..................................19
I.1.a. Lesaimantspermanentspourlatractionélectrique 19
1.1.b. Desmatériauxmagnétiquesdoux 22
1.2.DESCONFIGURATIONSDEMACHINESÀAIMANTS 24
1.2.a. Entrefercylindrique 25
1.2.b. Entreferplan 26
1.2.c. wcalisationdesaimantsau rotor 26
1.3.CONCLUSION......................•.........................................................................................•................•..31
n
LAMODÉLISATIONDESMACHINESSYNCHRONESÀ AIMANTS••••••.••••••••••.••..•••••.•..•••••••35
II.1. OBJECTIF 35
II.2.LESMODÈLESDEMACHINES......................•...................................................................•.................36
II.2.aLesmodèlesdemachineslinéaires 36
II.2.bLesmodèlesnon-linéaires 37
II.2.c Calculdespertesfer 39
II.3. LEMODÈLEDEFLUXPROPOSÉ 42
lI.3.aDel'utilitéd'unmodèledeflux encharge 42
lI.3.bSimulationsélémentsfinis (fluxde lamachine) 43
II.3.clfljluencedelanonlinéarité 43
II.3.dLeseffetscroisés 46
II.3.eLemodèlecomplet 49
w
II.3.f commandeoptimaleencourant 50
w
II.3.g précisiondumodèledeflux 52
11.4.LAMÉTHODED'ESTIMATIONDESPERTESPROPOSÉE.........................................•..•............••.••.....•...55
II.4.aLespertesJoule ~ 55
lI.4.bLespertesfer:méthoded'interpolation 55
II.4.cLespertesmécaniques 58
II.5. CONCLUSION..............•..............................................•.•....•.....................•.•..•...................................58
7
Sommaire
IDVERSUNEMÉTHODOLOGIED'ÉTUDEDEMACHINES 61
111.1.LAMACHINEDERÉ'FÉRENCE.........•...••.••.•.•..•.......•.......•.••.....................•.••.•.••......•..•......•...•....•.....61
Ill.l.aLacommandeoptimaleaupointdebase 61
111.1.bEvolutiondu courantdephasesurlacourbeenveloppe 64
111.l.cConclusions 67
111.2.LESCRmRESDECOMPARAISON.•...•..•...•................•....•......•.•.•••....•••...••..•...•.~..................••..........67
111.2.aContraintes 67
111.2.bLecourantdephaseetlatensionauxbornesdelamachine 67
11I.2.cSensibilitédesperformancesàlahauteurdesaimants 70
111.2.dDel'utilitéd'un indicateurdecoûtglobal 72
11I.2.eCartesd'isorendementetconsommationsurcycles 73
11I.2.fOndulationsdecoupleetchampdémagnétisant 75
111.3.CONCLUSION..............................•...............•..................................................................................76
IVETUDESDEMACHINESÀAIMANTSPERMANENTS 79
IV.1.LARÉDUCTIONDELALONGUEURACTIVE 79
IV.2. AIMANTSENSURFACEETRÉDUCTIONDESPERTESFER 82
IV.3. LESMACHIN'ESÀAIMANTSENCASTRÉS 86
IV.3.aEtudedu courantavecuncircuitmagnétiquelinéaireounonlinéaire 86
lV.3.bComparaisondesperformancesde PMREFetINSETREF 89
IV.3.cLimiterlescourts-circuits 90
IV.3.d Unemachineàaimantsencastréssanscourt-circuit(PLOT33) 92
lV.3.e Conclusionsurlesmachinesàaimantsencastrés 94
IV.4. LESMACHINESÀAIMANTSENTERRÉS......•..........................•.........................................................95
IV.4.aLesstructuresétudiées 95
IV.4.b Lesrésultatsdesimulation 96
IV.4.c Conclusionssurlesmachinesàaimantsenterrés 98
IV.5. CONCLUSION.........•.........................................................................••..................................•.........99
VMACHINESÀ AIMANTSENSURFACEETOPTIMISATION 103
V.1.LEMODÈlEPARRÉSEAUDERÉLUCTANCES....•........•..;...........•.•.•........•.............•................•.•........ 104
V.1.a Lemodèleanalytique 104
V.1.bNon-linéaritésdesréluctances 104
V.1.cLeseffetscroisés 108
V.2. VALIDATIONDUMODÈlE.............................................................•.•.................................•........... 113
V.3. INFLUENCEDEL'ÉPAISSEURDESAIMANTS.•..........•........•••....•...•......•......•......•........•...............•.... 116
V.3.a Laréluctanced'entreferetfluxdefuite 116
V.3.b Lesampères-toursdesaimants 120
o••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
V.3.cPrédictiondespointsdefonctionnementàpuissancemaximale 122
V.3.dRéluctancedu circuitmagnétique 123
8
Sommaire
V.4.EDEN:UNLOGICIELD'AIDEÀLACONCEPTION.................................•.......••..•.••..••••..•.•.......•..•••..125
V.4.aModèleanalytique 126
V.4.b Cahierdescharges &optimisation 126
V.4.c Compte rendu 126
V.5. LEMODÈlEIMPLANrtSOUSEDEN 126
V.5.a Grandeursd'entrée 126
V.5.b Grandeursoptimisables 127
V.5.c Grandeursdesortie 127
V.5.dEquationsimplicites 127
V.5.e Comparaisondes résultats 128
V.6.OPTIMISATIOND'UNPARAMÈTREDELAMACHINESyNCHRONE.......•....•.••..................•...•......•......129
V.6.aù nombredespires 129
V.6.bw longueuractive 129
V.6.cL'épaisseurdesaimants 130
V.7. OPTIMISATIONÀBASSEVITESSEENIMPOSANTVMÀ70% 131
V.7.a NombredespiresNs variable 131
V.7.bNombredespiresNsetépaisseurdesaimantsHpm variables 133
V.7.cw commandeàfacteurdepuissanceunitaire 134
V.8. OPTIMISATIONÀBASSEETHAUTEVITESSESIMULTANÉMENT 137
V.8.a Duplicationdumodèle 137
V.8.b Fonctionobjectif:maximumdedeuxvaleurs 137
V.8.cw longueuractivewct 137
V.8.dw longueuractivewctetlenombredespiresNs 138
V.8.eOptimisationglobale 140
V.9.CONCLUSION 142
CONCLUSIONSETPERSPECTIVES••••.••.••.•••.•.•••••.••••••••.••••••.•.•.•••.••...••••••••.•..••..••••••.••••••••.•••.•••••..•145
BIBLIOGRAPHIE•.•••••••••••••••••••••.••••••.•••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••.•••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••.••••••••••149
9