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Les
membres du Jury :
Khadija El
kadri Benkara, Ingénieur de recherche, UTC Compiègne (Co-Directeur
de Thèse)
Christophe Espanet, Professeur, FEMTO-ST, Directeur scientifique,
SONCEBOZ(Examinateur)
Guy Friedrich, Professeur, UTC Compiègne (Directeur de Thèse)
Daniel Matt, Professeur, UM2 Montpellier (Rapporteur)
Antoine Michon, Ingénieur, CETIM Senlis (Examinateur)
Didier Saury, Professeur, ENSMA Poitiers (Rapporteur)
Stéphane Vivier, Maitre de conférence, UTC Compiègne (Examinateur)
Résumé
de la thèse:
Les
machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion
d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes
thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception
des machines électriques de plus en plus petites et performantes.
En effet, la performance des machines électriques est limitée par
les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques
telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements.
Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le
comportement thermique de la machine : la méthode nodale et les
méthodes numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer
la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement
mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine
est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle
précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels
que les coeffcients d'échange convectif, les conductances de contact,
les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres.
En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite
appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres
d'influence significative sur les températures de la machine ainsi
que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux
méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains
sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique
de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par
rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants
permanents internes installée sur un banc de caractérisation de
machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé
dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande
de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi
d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique
sur le système mécatronique complet.
Abstract
:
Electric
machines play an important role in power conversion in several applications
and fields. With the increasing demand for designing lighter and
more efficient machines and optimizing the existing structures,
thermal analysis becomes a necessary ; in fact, the performance
of electric machines is limited by the allowable temperatures in
many critical components like windings, permanent magnets and bearings.
Two main approaches can be employed in order to study the machine
thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or
numerical models. Considering low-computation time-consuming and
the possibility to be integrated in a mechatronics system design,
the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly
applied on electric machine integrated in a complex mechatronics
environment. The thermal network is presented along with the definition
of the principal elements constituting this network. In fact, an
accurate and reliable network strongly depends on many critical
parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation
goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis
techniques are carried out in order to, first, identify the significance
of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine
temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we
propose two optimization algorithm-based identification methodologies
in order to calibrate results of the thermal network with measured
temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based
integrated starter-generator machine . The calibrated model is then
integrated in a mechatronics system consisting of an electric model
of the electric machine, along with its control strategy and the
power converter. This final study allows us to evaluate the impact
of the machine temperature rise on the mechatronic system.
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