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Les
membres du Jury :
Yacine AMARA, Maître de Conférences HDR, Université du Havre (Rapporteur) Stéphane DUCHESNE, Professeur des Universités, Université d'Artois (Rapporteur) Claude MARCHAND, Professeur des Universités, Centrale Supélec (Examinateur) Christine PRELLE, Professeur des Universités, UTC Compiègne (Examinateur) Alejandro OSPINA VARGAS, Maître de Conférences, UTC Compiègne (Co-Directeur de Thèse) Stéphane VIVIER, Maître de conférences HDR, UTC Compiègne (Directeur de thèse) Vincent LANFRANCHI, Professeur des Universités, UTC Compiègne (Invité)
Résumé
de la thèse:
En
plus des aspects électrique, magnétique, vibro-acoustique et mécanique,
les considérations thermiques doivent être prises en compte lors des
phases de conception et d'optimisation des machines électriques. Ce
mémoire se porte sur l'analyse et la simulation du comportement
thermique des machines électriques Totalement Fermées et Non Ventilées
(TFNV) et plus particulièrement sur le cas de la machine
Synchro-réluctante (Synchrel), utilisée comme actionneur d'embrayage. Un
modèle thermique détaillé (MTD), décrivant le comportement thermique de
la machine Synchrel est conçu. Ce MTD proposé est construit grâce à une
combinaison de la méthode à Constantes Localisées (CL) et d'une
technique numérique de type Mécanique des Fluides Numériques (MFN). La
première méthode est dédiée à la modélisation des transferts conductifs
et radiatifs. La seconde permet de modéliser le mécanisme de
refroidissement par convection naturelle autour de la machine Synchrel.
Compte-tenu de l'importance du mode de refroidissement sur l'évolution
des températures critiques, l'approche MFN peut apporter plus de
précision. Par contre, elle nécessite des temps de calcul importants ce
qui freine son utilisation. An de surmonter cette problématique, les
résultats numériques obtenus pour des points de fonctionnement
particuliers sont utilisés afin de définir des relations de
corrélation analytiques. Cette analyse numérique est accompagnée
d'une démarche expérimentale afin d'élaborer les corrélations
expérimentales correspondantes. L'étude montre que les solutions
numériques peuvent converger vers des solutions plus précises si l'on
tient compte des données d'incertitudes introduites par cette approche. La
deuxième problématique traitée est la détermination des Résistances
Thermiques de Contact (RTCs) des machines électriques. Elles
constituent des paramètres clefs dans la dénition du MTD complet. La
démarche de détermination des RTCs est basée sur deux approches
d'identication paramétrique. La première est basée sur des
observations expérimentales du comportement thermique de la machine. La
seconde est basée sur une approche mathématique de réduction de modèle.
Les valeurs déterminées sont cohérentes avec la littérature, bien que
la machine Synchrel diffère en topologie, taille et puissance. En
utilisant la corrélation d'origine numérique du phénomène de convection
externe, le MTD complet est alors utilisé afin d'évaluer la variation
de température due à l'erreur introduite par la MFN. En utilisant la
corrélation expérimentale, le MTD complet est validé. Les
approches d'identification paramétrique conduisent à la construction
de deux modèles thermiques de second ordre de la machine. Ces modèles
permettent la surveillance du comportement thermique du bobinage et du
carter. Ces deux modèles simplifiés font montre d'une prédictibilité
satisfaisante au regard de leur simplicité.
Abstract
:
In
addition to electrical, magnetic, vibro-acoustic and mechanical
aspects, thermal considerations must be taken into account during the
design and optimization of electrical machines. This study focuses on
the analysis and the simulation of the thermal behavior of Totally
Enclosed Non Ventilated (TENV) electrical machines, specically a
Synchro-reluctant motor (Synchrel) in the context of an automotive
application : a clutch actuator. A detailed thermal model (MTD)
describing the thermal behavior of the Synchrel machine is designed.
This proposed MTD is based on a combination of the Lumped Parameter
Thermal Network method (LPTN) and the Computational Fluid Dynamics
(CFD) methods. The rst method is dedicated to model the conductive and
radiative heat transfers. CFD techniques are dedicated to model the
cooling mechanism based on the natural convection around the Synchrel
machine. Since the critical temperature is very sensitive to the
cooling mode, the CFD approach is used in this study to provide more
accurate results. On the other hand, it requires considerable computing
time, which prevents its use in design studies based on optimization
methods. In order to overcome this problem, only some numerical results
obtained for particular operating points are used to define an
analytical correlation based on the numerical calculation relations. This
numerical analysis goes with an experimental approach in order to
elaborate the corresponding experimental correlations. This study shows
that numerical solutions can present a good accuracy, if uncertainty
data introduced by this approach are taken into account. The
second research problem addressed in this study is the determination of
the Contact Thermal Resistances (RTCs), which are key parameters in the
definition of the MTD. The determination procedure of the RTCs is
based on two parametric identification approaches. The rst one is
experimental and based on some observations of the thermal behavior of
the machine. The second one is based on a mathematical model reduction
approach. The determined values are consistent with results from
literature, although the Synchrel machine differs in topology, size
and power. Using the numerical correlations, the MTD is used to
evaluate the temperature deviation due to error terms introduced by the
CFD approach. Then, using these experimental correlations, the MTD's
quality can be checked and approved. Parametric identication
approaches lead to the construction of two secondorder thermal models
of the machine. These models allow monitoring the thermal behavior of
the winding and the casing. Both simplied models show satisfactory
predictability with respect to their great simplicity.
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