Modélisation analytique pour le dimensionnement par optimisation d'une machine dédiée à une

217 Pages·2016·7.51 MB·French

by  Benjamin Daguse

Mod´elisation analytique pour le dimensionnement par
optimisation d’une machine d´edi´ee `a une chaˆıne de
traction hybride `a dominante ´electrique
Benjamin Daguse
To cite this version:
Benjamin Daguse. Mod´elisation analytique pour le dimensionnement par optimisation d’une
machine d´edi´ee a` une chaˆıne de traction hybride `a dominante ´electrique. Autre. Sup´elec, 2013.
Fran¸cais. <NNT : 2013SUPL0012>. <tel-00963620>
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N° d’ordre : 2013-12-TH

THÈSE DE DOCTORAT

DOMAINE : SPI
Spécialité : Énergie

Ecole Doctorale
« Sciences et Technologies de l’Information des Télécommunications et des Systèmes »

Présentée par :

Benjamin DAGUSÉ

Sujet :

Modélisation analytique pour le dimensionnement par optimisation d’une machine dédiée à une
chaîne de traction hybride à dominante électrique

Soutenue le 17 juin 2013 devant les membres du jury :

M. Christophe ESPANET FEMTO-ST/Belfort, Professeur Rapporteur
Mme Carole HÉNAUX LAPLACE/Toulouse, Maître de Conférences Examinatrice
M. Vincent LANFRANCHI UTC/Compiègne, Maître de Conférences Rapporteur
M. Claude MARCHAND LGEP/Paris Sud, Professeur Président du jury/Examinateur
M. Jacques SAINT-MICHEL Moteurs Leroy-Somer/Angoulême, Directeur Scientifique Examinateur
M. Jean-Claude VANNIER Supélec/Paris Sud, Professeur Directeur de thèse

« Ce n’est pas en perfectionnant la bougie que l’on a découvert l’électricité »
Louis Schorderet

« Une personne qui n’a jamais commis d’erreurs n’a jamais tenté d’innover »
Albert Einstein

À ma famille,
À Audrey,

Remerciements

Avant tout propos, je suis particulièrement sensible à l’honneur que m’ont fait Messieurs
Christophe Espanet (FEMTO-ST) et Vincent Lanfranchi (UTC) en acceptant d’être rapporteur
de cette thèse et de l’intérêt qu’ils ont porté à ces travaux. Aux mêmes titres, tous mes
remerciements vont à Mme Carole Hénaux (LAPLACE) et M. Claude Marchand (LGEP) pour
leur rôle d’examinateur.
Je tiens à exprimer ma sincère gratitude à Monsieur Jean-Claude Vannier, chef du
département Énergie de Supélec et directeur de thèse, pour m’avoir permis de réaliser ces
travaux à ses côtés, pour les nombreux échanges scientifiques que nous avons pu avoir et pour
ses conseils toujours avisés, qu’il trouve ici toute ma reconnaissance. De même, je remercie les
enseignants-chercheurs du département pour leur accueil et le temps qu’ils ont pu me consacrer.
Je remercie tout particulièrement Philippe Dessante pour son apprentissage des outils et des
techniques d’optimisations ainsi que Pierre Vidal, Amir Arzandé et Pierre Lefranc pour les
discussions techniques et amicales que nous avons pu avoir au fil de ces années. Je n’oublie pas
non plus Stéphanie, Élodie, Damien et José pour leur aide au quotidien, leur sympathie et leur
bonne humeur. Merci à vous tous.
Mes vifs et sincères remerciements vont également à la société Moteurs Leroy-Somer en
l’intermédiaire de Messieurs Cédric Plasse et François Peltier pour leur confiance depuis le
stage technicien de 2007 jusqu’à la fin du cursus universitaire conclu par cette thèse soutenue en
2013, et, pour les prochains challenges à venir ! Je tiens à exprimer ma sincère gratitude à
Monsieur Jacques Saint-Michel pour m’avoir permis de partager ses innombrables
connaissances tout au long de ces années. J’adresse également mes plus chaleureux
remerciements à Monsieur Xavier Jannot pour sa bonne humeur, sa disponibilité et le temps
qu’il m’a consacré à l’apprentissage du dimensionnement analytique de machines électriques et
d’outils de calculs numériques. Un grand merci aussi aux camarades électrotechniciens du pôle
automobile Jérôme et Michel pour leur sympathie et leur disponibilité.
Je suis également heureux d’avoir pu partager ces moments auprès de mes camarades
doctorants et désormais amis. Honneur aux plus anciens et donc docteurs : Adel, Christophe G.,
Jing, Matthieu, Mayalen, Nicolas, Rachelle, Wilfried, ceux qui ont partagés ces trois années à
mes côtés Christophe L. et Soukayna, et, les petits jeunes : Antoine, Carmen, Florent, Gilbert,
Tanguy, Thomas, Trung, Yujun, merci pour les chaleureux moments passés à vos côtés. Enfin,
je souhaite tous mes vœux de réussite aux « jeunes » qui ont repris le flambeau : Alejandro,
Dany et Ivan. Bon courage à vous !
Mes pensées vont également à mes amis garants de chaleureuses retrouvailles, qu’il s’agisse
des brestois, des ligériens, des lyonnais et des rochelais. Merci d’être présents.
Je remercie ma famille et ma belle-famille pour leur soutien et leurs nombreux
encouragements. Je suis fort reconnaissant du soutien de mes parents, qu’ils trouvent ici toute
ma reconnaissance et la satisfaction d’être arrivé au bout malgré les difficultés.
Enfin, ces dernières lignes s’adressent à la femme qui partage ma vie, Audrey, merci pour
ton soutien indéfectible, tes blagues et tes encouragements dans les moments difficiles, pour le
bonheur que tu m’apportes au quotidien, et, tout simplement d’être là pour moi. Tu es le moteur
de ma vie.
vii

Table des matières
Introduction générale ............................................................................................................... 1

Chapitre I :
État de l’art des motorisations électriques pour l’automobile – Projet Hydole .................. 5
I.1 L’automobile une nécessité mais des contraintes .......................................................... 7
I.2 Cycles de caractérisation des véhicules ....................................................................... 13
I.3 Analyse des différentes technologies des véhicules à moteur électrique ..................... 16
I.4 Emplacement de la machine électrique ........................................................................ 22
I.5 Machines électriques pour la motorisation automobile ................................................ 25
I.6 Projet Hydole : cahier des charges et contraintes ......................................................... 32
I.7 Conclusion ................................................................................................................... 35

Chapitre II :
Prédimensionnement de machines synchrones à aimants permanents .............................. 37
II.1 Approche par prédimensionnement ............................................................................. 39
II.2 Cycle de référence ........................................................................................................ 40
II.3 Classification des points du cycle sous la forme de grappes ........................................ 42
II.4 Schéma vectoriel complet de la machine synchrone à aimants.................................... 46
II.5 Schéma vectoriel simplifié ........................................................................................... 49
II.6 Classification des machines synchrones à aimants permanents ................................... 52
II.7 Démarche d’optimisation ............................................................................................. 55
II.8 Conclusion ................................................................................................................... 64

Chapitre III :
Définition et modélisation par les éléments finis de la machine double aimant ................ 65
III.1 Introduction .............................................................................................................. 67
III.2 Structure du rotor de la MSAP ................................................................................. 68
III.3 Structure du stator et du bobinage de la MSAP ....................................................... 76
III.4 Définition des matériaux de la MSAP...................................................................... 79
III.5 Modèle éléments finis de la machine double aimant ............................................... 81
III.6 Détermination des paramètres électromagnétiques .................................................. 87
III.7 Conclusion ............................................................................................................... 92
Chapitre IV :
Modélisation analytique de la machine double aimant ....................................................... 93
IV.1 Introduction à la modélisation analytique ............................................................... 95
IV.2 Formules de l’électromagnétisme ............................................................................ 97
IV.3 Modèle analytique linéaire de la machine double aimant ..................................... 100
IV.4 Évaluation du couple électromagnétique ............................................................... 112
IV.5 Modèle analytique en saturé .................................................................................. 115
IV.6 Modélisation analytique des fuites d’encoches ..................................................... 123
IV.7 Évaluation des grandeurs électriques .................................................................... 138
IV.8 Modélisation des pertes Joule et des pertes fer...................................................... 139
IV.9 Évaluation du rendement ....................................................................................... 141
IV.10 Conclusion ............................................................................................................. 142

Chapitre V :
Validation expérimentale des modèles ............................................................................... 145
V.1 Introduction ........................................................................................................... 147
V.2 Description de la maquette .................................................................................... 148
V.3 Évaluation des paramètres électromagnétiques ..................................................... 150
V.4 Relevés à vitesse fixe ............................................................................................ 153
V.5 Comparaison des modèles à vitesse variable ......................................................... 157
V.6 Conclusion ............................................................................................................. 159

Chapitre VI :
Optimisation du modèle de la machine double aimant ..................................................... 161
VI.1 Introduction ........................................................................................................... 163
VI.2 Conception par optimisation.................................................................................. 164
VI.3 Démarche et méthode d’optimisation .................................................................... 169
VI.4 Optimisation mono-objectif................................................................................... 175
VI.5 Optimisation bi-objectif......................................................................................... 179
VI.6 Vérification des performances de la machine optimale ......................................... 183
VI.7 Conclusion ............................................................................................................. 188

Conclusion générale ............................................................................................................. 191

Annexe A ............................................................................................................................... 195

Références bibliographiques ............................................................................................... 199
ix

Notations

Indices
Symbole Désignation
a Aimant
b, base Point de base
c, cs Culasse stator
d Suivant l’axe direct
d, ds Dent du stator
e Entrefer
enc Encoche
ist Isthme
max Valeur maximale
min Valeur minimale
moy Valeur moyenne
pr Pont radial
pp Pièce polaire
pt Pont tangentiel
q Suivant l’axe en quadrature

Nomenclature
Symbole Désignation Unité
At Ampère-tour A/m
B Induction T
B Induction rémanente T
r
B Induction de saturation T
sat
C Couple N.m
d Diamètre d’un fil mm
e Entrefer Mm
e Épaisseur de l’aimant Mm
a
e Force électromotrice en unité réduite V
ur
E Force électromotrice V
f Fréquence Hz
f Fréquence de découpage Hz
découpage
f Fréquence du fondamental Hz
fondamental
f Fréquence maximale du fondamental Hz
max fondamental
f Force magnétomotrice A/m
mm
F Force centrifuge N
c
F Force radiale N
r
F Force tangentielle N
t
F Amplitude de la force magnétomotrice A/m
MM