Conclusions et Perspectives
Cette étude a permis de mettre en lumière une structure de machine électrique peu étudiée jusqu’à présent : une machine discoïde à double entrefer et aimants permanents enterrés.
Le choix de cette structure a été dicté par les conclusions apportées par la recherche bibliographique. Cette recherche bibliographique exhaustive a permis dans un premier temps de bien définir les parties nécessaires au fonctionnement d’une machine électrique. Le bobinage, l’emplacement des aimants, le nombre d’entrefer et la direction du flux ont constitué une base technologique primordiale pour le classement et la sélection finale de notre structure. Dans un second temps, la littérature scientifique, les brevets ont servi de base de données pour élaborer un tableau dynamique sous Excel regroupant la plupart des structures des machines électriques synchrones à aimants permanents. Grâce à tous ces éléments, une synthèse a pu être portée concernant l’industrialisation, le couple massique, le rendement et la polyvalence de chaque structure. Et le choix final s’est dirigé sur une machine discoïde à double entrefer à bobinage réparti ou bobinage sur dents.
La machine discoïde à bobinage réparti a fait l’objet d’une étude basée sur un modèle analytique en deux dimensions. Ce modèle analytique, permettant de déterminer le couple électromagnétique de la machine à l’aide de l’équation de l’induction dans l’entrefer, a permis de prédimensionner la géométrie et d’étudier l’impact des matériaux et de l’alimentation sur le fonctionnement global. Il est aussi la base de l’optimisation réalisée à l’aide du logiciel Cades. L’intérêt de cette optimisation a été la recherche d’une géométrie dont les dimensions sont optimales pour la maximisation du couple électromagnétique. L’exploitation des résultats a donc abouti à une géométrie optimale mais aussi à la confirmation du bon potentiel industriel de cette machine grâce aux analyses des courbes de Pareto. Pour approfondir l’étude de cette machine, la prise en compte du caractère tridimensionnel est effectuée avec le modèle numérique par éléments finis FLUX associé à notre structure. Les résultats concernant l’induction dans les dents (et plus particulièrement l’épanouissement dentaire) ont mis en avant qu’il était nécessaire de réajuster la géométrie du stator pour améliorer le fonctionnement global. De plus, ce modèle numérique nous informe des similitudes avec le modèle bidimensionnel concernant les résultats
Conclusions et Perspectives
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de couple électromagnétique (aux alentours de 13 % d’écart) et des divergences de résultats pour l’estimation des pertes fer. En perspective à la modélisation de cette machine, des précisions doivent être apportées pour obtenir une meilleure prise en compte des caractéristiques physiques des matériaux et ainsi améliorer l’estimation des pertes fer. Cette machine, quant à elle, fait preuves de polyvalences et de bonnes performances en termes de rendement (environ 90 %) et de couple (environ 354 Nm). Le point négatif de cette machine est le bobinage. En effet, celui-ci est encombrant, consomme beaucoup de cuivre (en particulier les têtes de bobines) et est par conséquent source de pertes Joule. C’est pourquoi, la suite de l’étude a concerné le même type de structure avec un bobinage sur dents.
Le bobinage sur dents semble plus adapté à la structure discoïde d’une machine électrique. La compacité, la réduction des têtes de bobines permettent de s’approcher d’une structure plus cohérente. L’étude de cette machine discoïde à double entrefer et bobinage sur dents a fait l’objet d’une approche indirecte d’optimisation. Ne pouvant élaborer un modèle analytique rapidement, rigoureux compte tenu du bobinage choisi, la démarche est de modéliser numériquement la machine puis de l’optimiser. Le modèle numérique par éléments finis a permis d’obtenir les premiers résultats magnétiques et de porter une attention particulière à la présence ou non d’un épanouissement dentaire. Les analyses montrent que la présence d’un épanouissement dentaire, malgré une induction élevée dans cette partie de la machine, permet d’obtenir des rendement (97.5 %), couple (86 Nm) et force magnétique d’attraction (8000 N) bien meilleurs. L’optimisation proposée pour cette structure est peu commune et utilise le principe des plans d’expérience. Après multiples créations de prototypes virtuelles, il s’avère qu’il est possible d’augmenter le couple électromagnétique de la machine de 30 % tout en gardant des dimensions compactes pour aboutir à un couple massique très satisfaisant (aux alentours de 9 Nm/kg). En revanche l’analyse de robustesse a montré que cette machine était très sensible aux variations des dimensions géométriques (en particulier la largeur de l’encoche). Il sera donc important de respecter les dimensions déterminées par l’optimisation. Au cours de l’étude de cette machine discoïde à bobinage sur dents, il a donc été montré, en utilisant une nouvelle approche de modélisation numérique tridimensionnelle et une optimisation tridimensionnelle, les très bonnes capacités et performances de ce type de structure. A l’avenir, il serait intéressant de retravailler la forme de la dent, en l’arrondissant par exemple, pour améliorer le remplissage des encoches par les bobines et ainsi optimiser l’utilisation de la poudre de fer.
La partie expérimentale de cette thèse a permis d’illustrer concrètement sur une maquette la structure discoïde à double entrefer. Nous avons profité de cette maquette pour valider le modèle numérique tridimensionnel par éléments finis en se basant sur les résultats type d’une machine électrique c'est-à-dire les tensions, le courant, les inductances et le couple électromagnétique. Néanmoins des divergences sont apparues concernant l’estimation et la détermination des pertes fer. Les nombreux essais et hypothèses n’ont pu déterminer la cause principale de cet écart entre la théorie et la pratique. A l’avenir, il est donc important d’expliquer ces pertes fer supplémentaires pouvant être la conséquence de courant de Foucault ou d’une mauvaise utilisation de la poudre de fer. Une poudre de fer de nouvelle génération peut permettre de résoudre une grande partie de nos interrogations. Hormis les problèmes rencontrés avec les pertes fer, les performances de cette maquette sont en deçà de celles des machines étudiées théoriquement. Cependant de nouvelles perspectives s’offrent à nous. En effet, comme le modèle numérique de la maquette est validé, il sera donc possible d’appliquer la méthode d’optimisation tridimensionnelle basée sur les plans d’expériences. Ainsi, il sera possible de trouver la géométrie
Conclusions et Perspectives
optimale pour augmenter le couple électromagnétique et optimiser l’utilisation de la poudre de fer.
Enfin, l’étude comparative met en avant les performances et le potentiel industriel de la machine discoïde à double entrefer et bobinage sur dents. Que ce soit au niveau du rendement ou de l’encombrement, elle mérite que l’on s’intéresse encore plus à sa technologie et les points à améliorer.
Cette thèse n’est que le début d’une étude de machines discoïdes à aimants permanents à double entrefer. Cette étude a prouvé les bonnes performances et le bon potentiel industriel entrevue lors de notre recherche bibliographique préalable. Les outils pour la modélisation et l’optimisation existent et leurs applications sont très bien adaptées aux problématiques rencontrées. Nous avons donc proposé des machines électriques performantes dans la gamme de moyenne puissance. En perspective, le but final est de continuer l’étude de ce genre de machines, d’en approfondir la connaissance de son fonctionnement, son comportement et de mieux maîtriser la physique de nouveaux matériaux pour aboutir à une machine discoïde à double entrefer commercialisable.