Exploitation des résultats du modèle numérique

En fonction des résultats souhaités, le logiciel de calcul par éléments finis FLUX donne la possibilité à l’utilisateur de choisir l’application ou l’environnement de calcul. Dans notre cas, deux applications sont fréquemment utilisées : la magnétostatique et la magnétotransitoire. L’application magnétostatique permet de calculer et d’étudier la machine à un instant donné. En revanche, l’application magnétotransitoire permet d’introduire la notion de mouvement entre le rotor et le stator mais aussi de compléter les études statiques par l’évolution du couple électromagnétique, la force magnétique et un bilan des pertes fer. Concernant les prochains paragraphes, les résultats magnétiques sont obtenus en magnétostatique, en fixant la valeur maximale des courants dans les bobines non maillées de façon à avoir une densité de courant dans les encoches de 4 A/mm². Pour l’application magnétotransitoire, la valeur maximale du courant est aussi fixée pour obtenir 4 A/mm². Un paramètre représentant le pas de temps de calcul (appelé TIME) est ajouté pour pouvoir représenter l’évolution dans le temps des courants. Ces courants sont simulés par des sources de courants délivrant des courants purement sinusoïdaux.

3.4.6.1Etude des parties actives de la machine

L’étude magnétique des parties actives de la machine apporte des informations sur le comportement du flux, sur la saturation, sur le chemin emprunté par les lignes de champ et éclaire sur les points géométriques à parfaire. Les figures 3.18 et 3.19 décrivent le module de l’induction magnétique dans les dents du stator côté entrefer et côté cœur de la dent. L’analyse montre que les dents du stator sont très saturées aux alentours de 2 Tesla et dans certains endroits le module de l’induction atteint 2.5 Tesla. Concernant les inductions maximales, elles se localisent principalement dans les épanouissements polaires. Ces épanouissements sont très minces, saturent fortement et rapidement. De plus, le maillage, malgré son réglage manuel par la méthode de la discrétisation des lignes, engendre dans les pièces minces (donc maillées moins finement) des singularités de maillage créant des irrégularités de calculs. Cependant, outre le fait

Machine Discoïde à Double Entrefer et Bobinage Réparti

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du maillage, ces dents du stator sont très vite sous induction maximale. Cette induction élevée peut être nocive au bon fonctionnement de la machine comme par exemple en augmentant les pertes fer dans les dents ou en causant un échauffement thermique trop important. Il est donc nécessaire de redimensionner les dents du stator pour permettre au flux d’avoir une surface de guidage dans le stator plus importante et par conséquent de diminuer l’induction dans les dents. Les deux demi dents, dont l’induction est moindre (aux alentours de 0.8 Tesla) sont des dents autour desquelles le bobinage est alimenté par les courants les plus petits à cet instant.

Figure 3.18 : Induction dans les dents, côté entrefer

Figure 3.19 : Induction dans les dents, côté coeur de la dent

Au niveau du rotor, les pièces polaires semblent moins sujettes à un module d’induction élevé comme dans le stator (Figure 3.20). En moyenne, cette induction oscille aux alentours de 0.5 Tesla pour les parties externes au rotor (faces des pièces polaires ne servant qu’au flux de fuite). Il est normal de retrouver des singularités de maillage au niveau des coins et des arêtes des pièces polaires. Cependant, l’induction atteinte au voisinage de l’aimant permanent porte à discussion. En effet, dans cette zone, l’induction vaut en moyenne 2 Tesla. Cette valeur peut être atténuée car il s’agit d’une arête de la pièce polaire et la principale cause est la présence à ces côtés du champ créé par l’aimant permanent.

Toujours au niveau du rotor, les aimants permanents sont sans doute l’organe de la machine le plus important. Le risque majeur de ces pièces est leur démagnétisation. Comme il n’est pas possible de contrôler le champ qu’ils produisent, il est fréquent qu’ils se démagnétisent en présence de fortes inductions aux abords de leur environnement. C’est pourquoi, la vérification du module du champ H dans les aimants permanents est primordiale. Pour ne pas les démagnétiser, le champ maximal acceptable pour des aimants permanents Néodyme Fer Bore est de 650 kA/m. Grâce à la Figure 3.21, on note que le risque de démagnétisation est écarté puisque la valeur maximale atteinte est de 400 kA/m. La configuration spéciale des aimants engendre un champ non continu dans ceux-ci et maximal au niveau de la petite base du trapèze (Figure 3.21).

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Figure 3.20 : Induction dans les pièces polaires Figure 3.21 : Champ magnétique dans les aimants

Ces résultats magnétiques complètent les résultats obtenus lors de l’étude analytique. Sans ce modèle numérique en trois dimensions il n’était pas possible de déterminer avec précision le comportement du flux dans les parties actives de la machine. Cette étude a permis de mettre en avant la problématique liée au dimensionnement des dents. En effet, au vu des résultats, l’induction dans cette partie de la machine est trop importante et pourrait engendrer des difficultés dans son fonctionnement. Malheureusement un des seuls moyens pour éviter cela est soit d’augmenter la largeur des dents, soit de réduire le nombre d’encoches. Un redimensionnement doit donc être envisagé. La configuration actuelle en bobinage réparti ne permet pas ce type de démarche. La machine munie de 48 encoches et 8 pôles n’a déjà que 2 encoches par pôles et par phase. La solution (tout en gardant un bobinage réparti) est donc de diminuer le flux créé par les aimants permanents et ainsi de diminuer le flux traversant le stator.

3.4.6.2Etude de l’induction dans l’entrefer

Les figures 3.22 et 3.23 permettent une étude de l’induction dans l’entrefer. La figure 3.23 est obtenue sur un plan de coupe situé au milieu de l’entrefer ; le module de l’induction B y est représenté. La figure 3.22 est obtenue le long d’un chemin situé au milieu de l’entrefer et suivant le rayon moyen de la machine ; la composante normale de l’induction (B sur l’axe z) est représentée pour deux périodes électriques.

La figure 3.22 apporte des renseignements sur l’allure de l’induction dans l’entrefer. Cette dernière présente un profil en créneau avec des paliers représentant les différentes dents rencontrées au voisinage de l’entrefer. L’allure attendue était plus proche d’une sinusoïde que d’un créneau mais la saturation des dents (voir paragraphe précédent) nivelle le niveau d’induction dans l’entrefer. Cette courbe d’induction est aussi entachée de pics significatifs d’induction (passage de 1 Tesla d’induction à 1.5 Tesla) présents lors du passage d’une dent du stator au devant d’un aimant. Sur la figure 3.23 (en jaune), ce passage est caractérisé par la présence d’une zone dont la saturation est élevée (aux alentours de 1.4 Tesla). Cependant, et malgré les phénomènes électromagnétiques rencontrés, l’induction dans l’entrefer atteint 1 Tesla en valeur maximale (valeur attendue et calculée par le modèle analytique) et la courbe est caractéristique d’une courbe d’induction d’une machine à bobinage réparti.

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