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Les
membres du Jury :
Yacine AMARA,
Université du Havre, Rapporteur
Frédéric GILLON, Université de Lille, Rapporteur
Mohamed El Hadi ZAÏM, Université de Nantes, Président du jury
Stéphane VIVIER, UTC, Examinateur
Christophe FORGEZ, UTC, Examinateur
Franck VANGRAÈFSCHÈPE, IFPEN, Examinateur
Khadija EL KADRI BENKARA, UTC, Co-directrice
Guy FRIEDRICH, UTC, Directeur de thèse
Résumé
de la thèse:
Les
travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement
de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides.
L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride
est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées.
Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant
de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise
en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite.
La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La
première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur
à partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons
des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité
de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement
autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique.
Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine.
Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n’est prise en
compte qu’indirectement en fixant une densité de courant dans les
conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique
par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la
densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation
de la machine. Des modèles adaptés au processus d’optimisation ont
alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps
de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique
prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant
la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure
prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage
a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire
utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant
la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention
y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction
des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations
des températures dans la machine notamment aux endroits les plus
chauds comme les encoches et les têtes de bobines. Ces résultats
ont été corroborés par des essais expérimentaux réalisés dans les
bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples.
Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent
thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite
été implantés dans une modélisation multi-physique pour l’outil
d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a
été présentée pour un véhicule hybride Kangoo où la machine doit
pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis urbain.
Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors
de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives
de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport à
un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent.
De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également
une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que,
toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.
Abstract
:
This
work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle
applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized
by high power consumption during a short time. This work proposes
a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into
account the real limits of temperature during the operating cycle.
The sizing strategy is composed of two steps. The first step is
the sizing optimization of the actuator with the operating point
of the cycle. In this step we allow high level of flux density and
the level of current density in the conductors exceeds the usual
level for the continuous operating of the machine. These two parameters
can reduce significantly the volume of the machine. However in this
step, the temperatures are node checked. The second step checks
the temperatures in the machine by simulating the entire cycle.
So suitable models for optimization tools are carried out and are
a compromise between the time computing and the required accuracy.
Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation
in the machine by using the nodal network method has been carried
out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation
has been carried out and thermal model using too the nodal network
method has been carried out. The thermal model is the main point
for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This
model takes account of the flux directions in 3d and provides a
good estimation of the temperatures in the actuator particularly
in the heat zones as the slots and the end-windings. These results
are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special
machine where thermocouples are implanted inside. We validated the
thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory
temperatures operation. Next, these models have been implemented
in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation
tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle
where the electrical machine has to operate on each operating points
of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we
can conclude that for a working on cycle, le external volume of
the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared
with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature
operation. Furthermore, le volume reduction of the iron in the machine
induces a reduction of the iron losses and we can conclude that
the mean efficiency during the cycle stays good.
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