Modélisation numérique d'une machine électrique pour la traction de véhicule hybride

Introduction

Dans le cadre de notre dernière année en IMA, nous avons à réaliser un projet industriel. Nous avons choisi de travailler sur les modèles numériques de machines électriques puisque ce sujet réunit aussi bien des connaicances orientées SC que SA.

Ce projet, réalisé en lien avec la société Valeo, se déroule au sein du L2EP de Lille 1 où nous sommes encadrés par M. Benabou.

Présentation du projet

Le but est de réduire l'espace occupé par les aimants devenus trop chères tout en maintenant les performances d'une machine synchrone de Valeo.

Dès le début cette tâche apparaît comme étant impossible. La densité energétique des aimants en question est très élevée, ils contiennent un fort pouvoir magnétique dans un petit volume. L'alternative à ce composant est la bobine, qui lorsqu'elle est alimentée crée un champ magnétique, mais les inductances ont une densité d'énergie trop faible. Il faudrait donc de grandes bobines de cuivre là où il ne fallait qu'un petit aimant pour que les performances de la machine restent les mêmes. Ceci entrainerait une augmentation de la masse et de l'encombrement du moteur.

Nous allons donc axer notre étude sur la modélisation numérique de la machine puis sur une optimisation de l'espace occupé par les aimants Néodyme-Fer-Bore.

Réalisation

I Prise en main

Objectifs : Observer le couple de détente d'une machine électrique à vide puis en fonctionnement. Cette partie à pour but de nous familiariser avec un logiciel de calcul par éléments finis : FEMM. A l'aide d'un exemple existant, une géométrie de moteur simple, nous avons voulu déterminer le couple de détente avec et sans conducteur dans les encoches.

Nous nous nous sommes fixés 2 semaines pour réaliser cette tâche.

Pour ce faire, nous avons repris la géométrie d'une machine proposé par FEMM. En fonctionnement à vide, on applique une rotation au rotor puis on calcule le couple dans l'entrefer. La valeur est stoqué dans un vecteur que l'on vient tracer en fonction du temps.

En fonctionnement nominal, il faut ajouter les courants. On les calcule en fonction de la section des fils, du nombre de spires par bobine ainsi que de la denstité de courant J que l'on veut imposer. La rotation du rotor doit maintenant être synchronisé avec ces courants. Il faut aussi démarrer l'étude au moment où le couple est au max.

clear all;
close all;

%Ce script permet de calculer le couple pour plusieurs positions du rotor avec des
%courants circulants dans les bobines sur une periode de 40ms. 

%La rotation du rotor commence à 18ms car le couple max est obtenu à 17ms

addpath('C:\Program Files\femm42\mfiles')
openfemm;
opendocument('C:\Users\Documents\PFE\Matlab\script_3_cogging_avec_courant_et_rotation.fem');


A=[0:0.0005:0.04];              % t de ... à ... avec un pas de ... (periode = 20ms = 0.020s) 

%Signal triphasé 5.5A à 50Hz : 5.5 * cos(2*pi*50*t)
B=5.5*cos(2*pi*50*A);           %Phase A 
C=5.5*cos(2*pi*50*A-2*pi/3);    %Phase B
D=5.5*cos(2*pi*50*A-4*pi/3);    %Phase C 

rotation_totale=0.0;

for i=1:length(A)
    % à t = 17ms => couple max : on commence à tourner
    if(i>35)
        mi_selectgroup(1); 
        mi_moverotate(0,0,1.5); 
        rotation_totale=rotation_totale-1.5;     
    end        
    
    mi_modifycircprop('A+',1,B(i));
    mi_modifycircprop('A-',1,-B(i));
    mi_modifycircprop('B+',1,C(i));
    mi_modifycircprop('B-',1,-C(i));
    mi_modifycircprop('C+',1,D(i));
    mi_modifycircprop('C-',1,-D(i));

    mi_analyze(0);    
    mi_loadsolution;

    mo_groupselectblock(1)

    Torque(i)=mo_blockintegral(22);
    i
    Torque(i)
end

plot(A,Torque);

%Remise à la position initiale
mi_selectgroup(1); 
mi_moverotate(0,0,rotation_totale);
mi_analyze(0);
closefemm;

Après exécution de ce script nous obtenons les résultats suivants :

II Projet industriel

Objectifs : cf 'Présentation du projet'