Titre de l'écran-titre (visionné le 25 juillet 2023) / Les travaux présentés dans le cadre du projet HEPOS en partenariat avec l'Université de Sherbrooke et la compagnie Pratt & Whitney Canada traitent du dimensionnement analytique de machines électriques et de leur simulation. Tout d'abord, une présentation générale des machines à aimants permanents est effectuée. Les types de stators, de bobinages, d'arrangement d'aimants et de matériaux magnétiques sont des exemples traités pour les machines à flux radial et axial. Un bref survol de quelques architectures d'alimentation et de commande pour ces machines sera également fait. Par la suite, le mémoire montre les travaux qui ont été effectués pour obtenir une loi de commande optimale pour les machines dimensionnées. Divers points d'opération sont demandés et le processus d'optimisation développé s'assure de fournir les courants de commande optimaux minimisant les pertes totales de la machine. Pour se faire, une formule paramétrique a été développée en s'inspirant des modèles de pertes magnétiques basés sur les équations de Steinmetz. Cette formule permet d'obtenir les pertes magnétiques totales de la machine pour divers points d'opération. La méthodologie employée pour l'obtention de la formule et l'identification de ses paramètres est également décrite. Des simulations avec le prototype de moteur du Maxwell X-57 de la NASA ont été grandement utiles pour l'élaboration et la validation de ces deux modèles de calcul. Pour continuer, une procédure de calcul analytique de dimensionnement d'une machine à aimants permanents à flux radial a été produite. Cette procédure permet de dimensionner et d'optimiser une machine selon une géométrie générale pour un cahier de charges donné. Les calculs dimensionnels, électriques et mécaniques sont expliqués ainsi que les différentes formules de pertes utilisées pour rendre le modèle le plus précis possible. Les pertes aérodynamiques et de frottement dans les roulements sont ajoutées en plus des pertes joules et magnétiques. Le calcul de l'induction pour un rotor à réseau de Halbach est également présenté puisque l'utilisation de ce type d'agencement d'aimants augmente la densité de couple de la machine. Une fois le dimensionnement analytique complété, une vérification et une correction est effectuée en utilisant un logiciel de calcul de champs par élément finis (Cedrat FLUX 2D) de manière à confirmer les différentes grandeurs électriques calculées de manière analytique. Finalement, le même processus de dimensionnement analytique est appliqué aux machines à flux axial. Pour ce type de machine, un calcul analytique additionnel est présenté de manière à venir approximer la géométrie de la machine à celle d'une machine linéaire. De cette façon, il est possible de calculer le champ magnétique en 2D plutôt qu'en 3D (les machines axiales ayant un chemin de flux asymétrique qui nécessite normalement une étude en 3 dimensions). Le modèle est ensuite confirmé à l'aide du dimensionnement des machines EM188 et EM348 de la compagnie Emrax. Le moteur Emrax 188, est la machine utilisée par l'équipe du Professeur Rancourt à l'Université de Sherbrooke pour construire un banc d'essais. Des mesures expérimentales ont été effectuées sur ce banc de test. Elles ont permis de confirmer les modèles de dimensionnement analytique et de calcul selon le modèle dq et le modèle de pertes magnétiques. / The work presented as part of the HEPOS project in partnership with the University of Sherbrooke and the company Pratt Whitney Canada deals with analytical dimensioning of electrical machines and their simulation. First, a general presentation of permanent magnet machines is made. Types of stator, windings, magnet arrangement and magnetic materials are examples covered for radial and axial flux machines. A brief overview of some power and control architectures for these machines will also be given. Next, work was carried out with the aim to obtain an optimal control law for the dimensioned machines. Various operating points operations are requested and the optimization process developed ensures to provide the optimum control currents by minimizing the total losses of the machine. To do so, a parametric formula was developed based on loss models based on Steinmetz equations. This formula allows to obtain the total magnetic losses of the machine for various operating points. The methodology used to obtain the formula and identify its parameters is also described. Simulations with NASA's Maxwell X-57 prototype machine have been greatly useful for the development and validation of these two calculation models. To continue, an analytical calculation procedure for radial machine sizing has been made. This procedure makes it possible to size and optimize a machine according to a general geometry for a given set of specifications. Dimensional, electrical and mechanical calculations are explained as well as the different loss formulas used to make the model the most precise as possible. The aerodynamic and friction losses in the bearings are added as well as the joule and magnetic losses that are common to see. The calculation of the induction for a Halbach array rotor is also presented since the use of this type of magnet arrangement increases the torque density of the machine in certain conditions. Once the analytical dimensioning completed, a verification and correction is carried out using a calculation software of finite element fields (Cedrat FLUX 2D) in order to confirm the different electrical values calculated analytically. Finally, the same analytical sizing process is applied to machines with axial flow. For this type of machine, an additional analytical calculation is presented in order to approximate the machine geometry as a linear machine. In this way, it is possible to calculate the magnetic field in a 2D environment (the magnetic flux in an axial machine flows with an asymmetric path that normally needs to be studied in three dimensions). The model is then confirmed using the EM188 and EM348 machines from the Emrax company. The Emrax188 is used in a test bench built by Professor Rancourt's team at from Sherbrooke University. Experimental measurements were carried out on this test bench. They allowed to confirm the analytical sizing and calculation models according to the dq and magnetic losses model.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/121810 |
| Date | 04 August 2023 |
| Creators | Pelletier, Alexandre |
| Contributors | Cros, Jérôme, Rancourt, David |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (xv, 128 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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