Modélisation et conception d’une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents intégrant les contraintes du pilotage sans capteur de position

La soutenance de thèse de Jessica NEUMANN, intitulée « Modélisation et conception d’une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents intégrant les contraintes du pilotage sans capteur de position », se déroulera le Lundi 26 septembre à 10h00 en salle C002 à l’ENSEEIHT.

Les travaux de thèse ont été réalisés sous la direction de Mme Carole Hénaux et M. Maurice Fadel, au sein des groupes GREM3 et CODIASE.

Rapporteurs

  • JEAN-FREDERIC CHARPENTIER, ECOLE NAVALE
  • FARID MEIBODY-TABAR, UNIVERSITE DE LORRAINE

Membre(s) du Jury

  • ERIC SEMAIL, ENSAM LILLE
  • CAROLE HENAUX, UNIVERSITE DE MONTPELLIER
  • MAURICE FADEL, TOULOUSE INP
  • DANY PRIETO, NIDEC LEROY SOMER
  • FREDERIC MESSINE, TOULOUSE INP

Résumé :

Cette thèse est dédiée à la modélisation analytique et à la conception optimale d’une machine du type synchro-réluctante assistée d’aimants permanents (MSRAP) en tenant compte des aspects liés au pilotage sans capteur de position.

Dans un premier temps, la thèse vise à montrer, à partir d’une étude bibliographique, les avantages économiques et la sûreté de fonctionnement d’un pilotage sans capteur de position. Les méthodes d’injection de signaux à haute fréquence sont les plus adaptées pour des fonctionnements à basse vitesse en raison de leur facilité de mise en œuvre. Cependant elles dépendent fortement des paramètres de la machine tels que le rapport de saillance incrémentale. Dans des applications dédiées au secteur de la manutention qui se caractérise par des sur-couples importants au démarrage, l’injection de signaux haute fréquence devient non-opérationnelle en raison du faible rapport de saillance incrémentale induit par une forte saturation de la machine. L’objectif est d’intégrer ce problème lors de la phase de conception de la machine.

La géométrie du rotor des moteurs MSRAP est complexe car elle dépend d’un nombre de paramètres importants tels que la position, le nombre et la forme des barrières de flux. C’est pourquoi une analyse basée sur des simulations par éléments finis est réalisée afin d’identifier les paramètres géométriques les plus influents sur les performances et le rapport de saillance incrémentale. Cette étude permettra d’évaluer la sensibilité de paramètres tels que le nombre de barrières et l’entrefer dont la variation peut dégrader le rapport de saillance et en même temps améliorer les performances de la machine. D’autres paramètres comme l’inclinaison des barrières sont bénéfiques pour la performance et pour le pilotage sans capteur de position.  

Afin de concevoir la machine à l’aide d’algorithmes d’optimisation, il est indispensable de développer des modèles précis et rapides. Les optimisations basées sur des modèle éléments finis sont certes précises mais aussi très consommatrices en temps de calcul. Nous proposons dans cette étude de développer un modèle basé sur des équations analytiques en utilisant les principes de la loi d’Ampère et de la conservation du flux. Afin d’obtenir la distribution spatiale de l’induction dans l’entrefer, entité de base pour le calcul des performances et des inductances incrémentales du moteur, un système d’équations est mis en place et résolu. Ces moteurs étant par ailleurs généralement alimentés par des onduleurs, un second modèle analytique est développé afin de déterminer le contenu harmonique des courants d’alimentation. 

Dans une première optimisation du couple nominal de la MSRAP, deux logiciels basés sur des algorithmes déterministes ont été testés : fmincon de Matlab et NOMAD. Nous avons pu noter la supériorité des résultats et la robustesse du logiciel NOMAD par rapport à fmincon pour la résolution d’un problème avec 18 variables et 15 contraintes complexes. NOMAD a donc été utilisé pour deux autres optimisations bi-objectifs incluant le rendement et le coût des matières premières, et où le couple, la tension, le facteur de puissance et le rapport de saillance incrémentale sont définis comme des contraintes.

Chaque modèle analytique ainsi que les gains obtenus dans le cadre de cette thèse sont validés par des simulations éléments finis, des simulations sous Simulink Matlab et par des essais expérimentaux avec une machine existante.

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