La conception d'une machine haute vitesse est un problème multiphysique très complexe. Les contraintes mécaniques au rotor sont très élevées et la dynamique du rotor ne peut pas être négligée sinon les vibrations excessives risquent de détruire la machine. Même les pertes aérodynamiques créées par le frottement entre le rotor et l'air dans l'entrefer ne peuvent être négligées. La vitesse élevée implique également une fréquence électrique très élevée et donc des problèmes de pertes additionnelles dans le bobinage, de pertes fer, de pertes par courant de Foucault au rotor et de pertes de commutation dans les composantes de puissance de l'onduleur. Les pertes par courant de foucault au rotor, par exemple, augmentent la température des aimants risquant ainsi d'altérer leur performance ou même de les démagnétiser. Le concepteur doit faire preuve d'ingéniosité pour trouver des solutions et des compromis entre ces nombreux problèmes tout en considérant les couplages multiphysiques entre les modèles. Par exemple, l'augmentation de la fréquence de hachage permet la réduction des pertes par courant de foucault au rotor, mais augmente les pertes par commutation dans l'onduleur d'où la nécessité de l'atteinte d'un premier compromis. Les machines synchrones à aimants permanents montés en surface étant des machines prometteuses pour fonctionner à des vitesses et densités de puissance élevées, l'objectif du présent travail de recherche est de développer un outil de CAO adapté à ce type de machine et d'en déduire des règles de conception. Le calcul de champs 2D magnétostatique et magnétoharmonique est directement piloté par un algorithme d'optimisation pour permettre une estimation précise des paramètres les plus complexes à modéliser pour des espaces de conception et des topologies variés. Une étude comparative de moteurs optimisés pour différentes vitesses et densités de puissance a permis de déduire des règles de conception comme le choix du nombre de pôles et l'équilibre entre les pertes cuivre et les pertes fer. Le **Chapitre 1** traite de l'état de l'art actuel de la conception de machines haute vitesse. Les différents défis de conception et de réalisation sont exposés et discutés ainsi que les principales solutions possibles. Le **Chapitre 2** présente différents modèles adaptés aux machines haute vitesse permettant d'aider le concepteur dans son processus. L'implantation de la méthode de conception directe par calcul de champs à l'aide de MATLAB, PYTHON et CEDRAT FLUX est exposé dans le **Chapitre 3** alors que son utilisation pour l'obtention de règles de conception et son application sur un générateur de 80kW fonctionnant à 70000 rpm sont traités au **Chapitre 4**. Finalement, le **Chapitre 5** traite des différentes solutions aux problèmes majeurs des pertes dans les aimants. / Conception of a high-speed electrical machine is a complex multiphisics problem. Mechanical constraints in the rotor are high and rotor dynamics cannot be neglected otherwise excessive vibrations could destroy the machine. Even aerodynamic losses caused by friction between the rotor and the air in the air gap cannot be neglected. High-speed also implies high electrical frequency and therefore additional losses in the windings, iron losses, losses in the rotor et switching losses in power electronics. Rotor losses, for example, raise the temperature of the magnets and may alter their performance or even demagnetize them. The designer must therefore show ingenuity to find solutions and compromises between these numerous problems while considering the multiphysics couplings. For example, increasing switching frequency of the inverter allows the reduction of rotor losses, but increases switching losses in power components, hence the need to reach a compromise. Since Surface Mounted Permanent Magnet synchronous (SMPM) machines are promising for operating at high speeds and power density, the aim of this research is to develop an optimization process adapted to this type of machine that makes it possible to deduce design rules. Parametric magnetodynamic and magneto-harmonic FEA simulations are directly driven by an optimization algorithm to allow accurate estimation of parameters that are difficult to evaluate for various design spaces and topologies. A comparative study of motors optimized for different speeds and power density made it possible to deduce design rules such as the choice of the number of poles and the balance between copper losses and iron losses. First, Chapter 1 introduces the current state of the art for high-speed machines designs. Various design and fabrication challenges are discussed as well as popular solutions. Chapter 2 shows models adapted to high-speed machines to help the designer in his process. Implementation of the optimization process by direct field calculation using MATLAB, PYTHON and CEDRAT FLUX is shown in chapter 3 while its use for obtaining design rules and its application for an 80 kW generator are in chapter 4. Finally, a few solutions for magnet losses are studied in chapter 5.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/145645 |
| Date | 28 June 2024 |
| Creators | Grenier, Jean-Michel |
| Contributors | Cros, Jérôme, Picard, Mathieu |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (xxii, 300 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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