Dans ce mémoire de thèse, nous avons présenté un dimensionnement de machine à flux axial synchrone à aimants permanents qui répond à un cahier des charges industriel.
Dans le premier chapitre, nous avons fait un état de l’art de notre application en présentant la place qu’occupe le véhicule hybride électrique dans le contexte industriel actuel. Nous nous sommes intéressés à l’application alterno-démarreur intégré qui est ciblée dans notre travail. Après avoir présenté l’objet de l’étude qui est la machine à flux axial, avec ses atouts et ses limites, nous avons dressé un tour d’horizon des types de machine à flux axial existant dans la littérature. Cette étude du portefeuille de machines potentielles a mis en évidence deux structures intéressantes pour l’étude : la machine à flux axial synchrone à aimants permanents et la machine à flux axial à commutation de flux. Ensuite, nous avons détaillé le cahier des charges basé sur une machine cible à flux radial et notre objectif qui est de dimensionner une structure qui soit aussi compétitive voire plus performante que cette machine cible.
Dans le second chapitre, nous avons décrit le choix de la topologie de machine à flux axial synchrone à aimants permanents qui comporte deux stators internes séparés par une boîte à eau et deux rotors externes. Ceci nous a permis de préciser le cahier des charges en termes de dimensions. Après avoir présenté des notions clés de l’étude de structure (pas, combinaison, bobinage sur dents, double-couche, périodicité structurelle), nous avons choisi d’utiliser la méthode de l’étoile des encoches pour la machine synchrone à aimants dont nous avons montré le potentiel pour analyser une configuration de bobinage. Nous avons choisi la combinaison (24,16), nous l’avons analysée puis comparée à d’autres combinaisons envisagées initialement. Dans un second temps, nous avons détaillé la méthode d’étude de structures pour la machine à commutation de flux. Nous avons précisé les différences existant au niveau de la méthode de l’étoile des encoches entre la machine à commutation de flux et la machine synchrone à aimants permanents. Enfin, grâce à l’étude d’un coefficient de perméances, nous avons donné les combinaisons optimales en termes de couple pour la machine à commutation de flux. Ainsi, de ce chapitre, il en ressort principalement une comparaison de configurations de bobinage s’appuyant notamment sur la méthode de l’étoile des encoches.
Dans le troisième chapitre, nous avons présenté des éléments liés à la méthodologie de dimensionnement. Après nous être attardés sur les contraintes et les hypothèses de la démarche, nous avons abordé la question des modèles pour l’analyse et le dimensionnement. Nous nous sommes intéressés plus précisément aux trois types de modèles : les modèles analytiques, les modèles numériques et les surfaces de réponse obtenues par plan d’expériences en étudiant leurs avantages et leurs inconvénients. Ensuite, nous avons détaillé notre approche de dimensionnement. Cette dernière repose sur une modélisation éléments finis de deux modèles (le premier en charge et le second en court-circuit), une modélisation thermique et la création de surfaces de réponse. Nous avons d’abord utilisé ces modèles dans une étude de sensibilité, puis pour un dimensionnement paramétrique. Enfin, nous avons également présenté la démarche pour l’étape d’amélioration de la solution trouvée par optimisation.
Dans le quatrième chapitre, nous avons procédé au dimensionnement de la machine à flux axial synchrone à aimants permanents. Nous avons commencé par présenter les éléments liés à la topologie du stator et du rotor, en particulier le choix d’un rotor à aimants en surface et d’encoches statoriques de largeur constante. Nous avons présenté le modèle numérique éléments finis utilisé pour ce
166 dimensionnement. Ensuite, nous nous sommes attardés sur des études de sensibilité : la première par une étude paramétrique et la deuxième via des surfaces de réponses approchées. Ces études ont permis de distinguer les paramètres les plus influents. Ensuite, nous avons présenté un premier dimensionnement obtenu où la longueur axiale de la machine excédait la valeur cible de 41 %. Nous avons souhaité approfondir ce dimensionnement en étudiant l’apport d’épaulement au rotor et de dépassements au stator et au rotor. Avec ces modifications, nous avons obtenu une machine qui ne dépassait la valeur cible sur la longueur axiale que de 27,8% soit une amélioration de 13%. Pour compléter l’étude, nous avons étudié la désaimantation des aimants, avant, de nous attacher à améliorer le dimensionnement par une optimisation utilisant un couplage entre surface de réponse et algorithme génétique. Cette étape d’optimisation n’a pas amené de gain substantiel au dimensionnement par rapport au dimensionnement paramétrique.
Dans le cinquième chapitre, nous nous sommes intéressés à l’étude thermique et au refroidissement de la machine à flux axial synchrone à aimants permanents. Tout d’abord, nous avons dressé un tour d’horizon des types de refroidissement des machines électriques en général et de la machine à flux axial en particulier. Nous avons mené une étude analytique du refroidissement par boîte à eau de notre structure. Nous avons montré que la boîte à eau pleine, choisie pour notre dimensionnement, présente l’avantage devant la boîte à eau en spirale de posséder nettement moins de pertes de charges. Ensuite, nous avons proposé des boîtes à eau alternatives basés sur des obstacles insérés à même la chambre à eau. Une étude sous FLUENT nous a permis d’aller plus loin dans l’étude de la boîte à eau. En particulier, nous avons pu appréhender l’impact d’une lame d’air entre le carter et le stator sur la répartition des flux de chaleur et des températures critiques. Finalement, nous avons introduit l’idée d’un refroidissement diphasique de la structure. Nous avons présenté les motivations de cette étude ainsi que les premiers résultats d’expérimentations obtenus qui renforcent l’idée de prospecter sur un tel refroidissement.
Dans le sixième chapitre, nous avons détaillé les éléments techniques les plus pertinents concernant la conception du prototype sous CATIA. Nous nous sommes intéressés à l’assemblage statorique avec son bobinage, ses dents, ses encoches, les interconnexions mais aussi le frettage du stator sur le carter et le résinage. Ensuite, nous avons décrit l’assemblage rotorique. Nous avons donné des éléments concernant l’emplacement des aimants, la liaison entre le disque rotorique et l’arbre et les roulements. Enfin, nous nous sommes attardés sur la boîte à eau et les éléments liés à l’assemblage des carters, au muret interne et aux entrées d’eau.
Perspectives
En termes de perspectives, une suite logique à donner à ce travail de thèse est de réaliser le prototype conçu et présenté dans le chapitre 6. Puis, une fois fabriqué, il conviendra de tester ce prototype sur un banc d’essai pour vérifier que ses performances réelles corroborent les performances déterminées par simulation afin de valider les modélisations. Une piste pourrait être d’adjoindre au prototype l’épaulement au niveau du rotor, comme présenté au chapitre 4, qui n’a pas été retenu pour le moment par volonté de garder une structure simple, et d’évaluer son apport.
Une autre piste consiste à creuser l’idée d’un refroidissement diphasique de la structure. En effet, nous avons montré dans le chapitre 5 que des densités de courant importantes pouvaient être tolérées avec l’utilisation de ces fluides. La réalisation du prototype présenté en fin de chapitre 5 pourrait permettre de tester ce mode de refroidissement sur une maquette respectant les dimensions du prototype réel. Si les résultats envisagés venaient à être confirmés concernant les capacités de refroidissement
167 diphasique, on pourrait alors dimensionner une structure utilisant ce type de refroidissement qui respecte voire qui fait mieux que le cahier des charges basé sur la machine cible, notamment en termes de longueur axiale. Ce travail fera l’objet de la thèse de Yoann QUEREL qui démarrera à la suite de notre travail de thèse.
Les premières bases ont été posées pour l’étude de la machine à commutation de flux axial dans le cadre du projet de fin d’études de Daniel GOMEZ que nous avons encadré. Une suite logique à notre travail consistera à reprendre les nombreux modèles éléments finis effectués et à poursuivre l’effort de modélisation analytique pour le moment incomplète. Le but est d’aboutir à un pré-dimensionnement d’une machine par optimisation pouvant prendre en compte un grand nombre de paramètres. L’idée étant par la suite de comparer les performances de la machine à flux axial synchrone à aimants permanents dimensionnée pendant cette thèse et celles de la machine à flux axial à commutation de flux.
Une autre perspective que nous voulons mettre en exergue est celle qui serait un critère d’assemblage de la machine à flux axial à comparer à celui de la machine à flux radial. Il s’agirait de quantifier ce que nous pensons être une limite de la machine à flux axial. La méthode utilisée pourrait reposer sur l’approche variationnelle (Nogarède, 2005). Cela devrait permettre de conforter le fait (que l’on intuite) que l’assemblage de la machine à flux axial est plus complexe. Cela devrait aussi permettre de trouver des moyens pour rendre cet assemblage plus facile.
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