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o '~rU~It Î[II(~j~~ilïir INSTITUT NATIONAL POL YTECHNIQUE DE GRENOBLE LABORATOIRE D'ELECTROTECHNIQUE DE GRENOBLE THESE Pour obtenir le grade de W attribué par la bibliot~èque 1 ~I _ I. _j _ 1 _I_C-;.,I ~ ~_I DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE Spécialité: Génie Electrique Présentée et soutenue publiquement par Thierry CHEVALIER Le 20 décembre 1999 Modélisation et mesure des pertes fer dans les machines électriques, Président : Examinateurs: application à la machine asynchrone Directeur de Thèse: Bruno CORNUT et Afet LEBOUC JURY Monsieur Jean-Pierre CHABRERIE Madame Afef LEBOUC Messieurs Bruno CORNUT Jean-Pierre DUCREUX Jean-Marie KAUFFMANN Philippe MAN FE Colin TINDALL rapporteur rapporteur tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 INSTITUT NATIONAL POL YTECHNIQUE DE GRENOBLE LABORATOIRE D'ELECTROTECHNIQUE DE GRENOBLE THESE Pour obtenir le grade de N° attribué par la bibliothèque /_/~~~_/~_/_/~~ DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE Spécialité: Génie Electrique Présentée et soutenue publiquement par Thierry CHEVALIER Le 20 décembre 1999 Modélisation et mesure des pertes fer dans les machines électriques, Président: Examinateurs: application à la machine asynchrone Directeur de Thèse: Bruno CORNUT et Afef LEBOUC JURY Monsieur Jean-Pierre CHABRERIE Madame Afef LEBOUC Messieurs Bruno CORNUT Jean-Pierre DUCREUX Jean-Marie KAUFFMANN Philippe MANFE Colin TINDALL rapporteur rapporteur tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Remerciements Les personnes avec qui j'ai travaillé pendant ma thèse savent bien, je l'espère, quelle est ma gratitude envers elles. Mais puisqu'il faut des noms en voici! Sans oublier tous ceux et celles qui ont su enrichir ces années passées au Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble. Je tiens tout d'abord à remercier les membres du jury pour l'intérêt qu'ils ont porté à ce travail. Je remercie Jean-Pierre CHABRERIE qui m'a fait l'honneur de présider ce jury et de rapporter sur ce travail. Je remercie Jean-Marie KAUFFMANN pour avoir accepté d'être rapporteur. Je remercie également Jean-Pierre DUCREUX et Colin TINDALL pour leur participation constructive. Je voudrais exprimer toute ma reconnaissance à Messieurs François PELTIER, Jacques SAINT- MICHEL et Philippe MANFE pour la confiance qu'ils m'ont accordée en me permettant de réaliser cette thèse, ainsi que pour avoir suivi ce travail et fourni les moyens qui ont permis de le mener à bien. A présent, je tiens à remercier l'équipe "Matériaux magnétiques pour le génie électrique" du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble et en particulier Jean-Paul YONNET pour m'avoir permis de m'exprimer au sein de cette équipe. Je remercie aussi Christian CHILLET pour m'avoir initié à la recherche lors de mon DEA et sans qui cette thèse n'aurait pas eu lieu. Je profite de l'occasion pour exprimer tout le plaisir que j'ai eu à travailler avec Bruno CORNUT. Il a contribué pour une part importante aux différents choix scientifiques (les bons j'espère) qu'il a fallu faire durant ces travaux. Je tiens à lui dire combien j'ai apprécié sa critique toujours constructive qui m'a incontestablement apporté un soutien scientifique incomparable. Je le remercie aussi pour avoir toujours répondu présent à mes nombreuses sollicitations lors de la rédaction de ce rapport. Pour remercier Afef LEBOUC, je ne sais vraiment pas par où commencer. Tout d'abord, je voudrais la remercier pour sa très grande disponibilité. Quelle que soit le jour, l'heure, la minute à laquelle j'allais la solliciter et quelle que soit la charge de travail qu'elle avait, elle n'hésitait pas à m'accorder sans compter de son temps. Et cela a vraiment, pour un thésard en déroute dans le doute, une valeur inestimable. Je veux lui dire merci aussi pour toutes nos longues et fréquentes discussions scientifiques et les heures passées devant le banc d'instrumentation du cadre d'Epstein à faire la chasse aux parasites et autres calamités des chaînes de mesure. Enfin, je voudrais la remercier pour ses lectures toujours très attentives de tout ce que j'ai pu écrire au cours de cette thèse et en particulier de ce mémoire. tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Je tiens à remercier Jean-Pierre ROGNON, directeur du laboratoire, et Gérard MEUNIER, directeur adjoint, grâce à qui le LEG vit et qui permet ainsi à des jeunes chercheurs d'effectuer des travaux de thèse dans un environnement multidisciplinaire très riche et stimulant. Je remercie aussi Gérard pour son soutien scientifique lorsque je me suis attaqué à FLUX3D. Je profite de l'occasion pour remercier Vincent LECONTE et Emmanuel VINOT qui m'ont, à de nombreuses reprises, également guidé dans le labyrinthe de FLUX3D. Je remercie l'ensemble des ingénieurs et techniciens qui ont toujours assuré un service de qualité tant au niveau des résultats que des délais. Un grand merci à Claude BRUN, Daniel OGIER, Jacques DAVOINE, Eric GENTIL, Daniel TOMASIK, Bruno MALLET, Marie-Thérèse LOUBINOUX, Florence FRANCOIS et tous les autres. Je remercie également toutes les personnes avec lesquelles j'ai eu de nombreuses discussions animées, scientifiques ou pas, sources d'émulation indispensables, à mon avis, à la curiosité et à l'imagination nécessaire à tout chercheur. Parmi toutes ces personnes, je remercie en particulier Eric ATIENZA pour son sens critique aiguisé et sa capacité à se laisser convaincre, Bertrand RAISON pour sa rhétorique légendaire et aussi Jean-Michel GUICHON, Maxime BESACIER, Jean-Christophe CREBIER, Emmanuel VINOT, etc. Finalement, je tiens à remercier ma femme Christine qui m'a incité à faire cette thèse et m'a toujours soutenu au cours de ces trois années de recherche. tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Table des matières tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Table des matières 5 INTRODUCTION ................................................................................................................................. 7 CHAPITRE 1 ANALYSE GÉNÉRALE ET HYPOTHÈSES ......................................................... 11 1.1 DÉFINITION DU CADRE DE L'ÉTUDE ......................................................................................... 12 1.1.1 Le domaine de la conversion électromécanique ........................................................... ,. 13 1.1.2 L'objectif restreint et son critère ..................................................................................... 14 1.2 RÉSULTATS DES ÉTUDES EXISTANTES ..................................................................................... 14 1.2.1 Différentes solutions ........................................................................................................ 14 1.2.2 Description rapide de la méthode proposée par C. Cester ............................................. 15 1.2.3 Résultats sur les machines 4 kW et 5.5 kW ...................................................................... 16 1.3 ANALYSE GÉNÉRALE ET HYPOTHÈSES DE DÉPART .................................................................. 17 1.3.1 Hypothèses fortes - Simplification du système ................................................................ 18 1.3.2 Liste des phénomènes irréversibles à prendre en compte ............................................... 18 1.3.3 Hypothèses lors des études précédentes .......................................................................... 21 1.4 REMARQUES SUR LES MÉTHODES D'ANALYSE EMPLOYÉES ET LE CHOIX D'EXPOSÉ ................ 21 CHAPITRE 2 MODÉLISATION DES MATÉRIAUX MAGNÉTIQUES .................................... 23 2.1 CLASSEMENT DES LOIS DE COMPORTEMENT ........................................................................... 25 2.1.1 Loi linéaire ...................................................................................................................... 25 2.1.2 Loi non linéaire ............................................................................................................... 25 2.1.3 Lois hystérétiques ............................................................................................................ 27 2.2 MODÉLISATION DU COMPORTEMENT HYSTÉRÉTIQUE DYNAMIQUE D'uNE TÔLE .................... 29 2.2.1 Séparation des contributions statiques et dynamiques .................................................... 35 2.3 CHOIX D'uNE LOI DE COMPORTEMENT .................................................................................... 37 2.3.1 Modèle analytique simple de la contribution statique Hstat(B) ...................................... 37 2.3.2 Modèle analytique de la contribution dynamique Hdyn(B,dB/dt) ................................... 42 2.3.3 Modèle complet ................................................................................................................ 45 2.4 LES PERFORMANCES DU MODÈLE ............................................................................................ 45 2.4.1 Modification de l'instrumentation ................................................................................... 46 2.4.2 Les peiformances en terme de modèle ........................ : ................................................... 46 2.4.3 Méthode de calcul des pertes .......................................................................................... 49 2.4.4 Comparaison des pertes .................................................................................................. 51 2.5 CONCLUSION ........................................................................................................................... 52 CHAPITRE 3 SIMULATION DES STRUCTURES ÉLECTROMAGNÉTIQUES .................... 54 3.1 RÉSOLUTION DES ÉQUATIONS DE MAXWELL EN 2D ............................................................... 55 3.2 LE CALCUL DES PERTES DANS UNE STRUCTURE COMPLEXE ................................................... 58 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Table des matières 6 3.3 ApPLICATION À LA MACHINE ASYNCHRONE 5.5 KW .............................................................. 60 3.4 SYNTHÈSE DES RÉSULTATS ..................................................................................................... 63 3.5 INFLUENCE DE LA QUALITÉ DE LA DISCRÉTISATION SPATIALE ET TEMPORELLE ..................... 64 3.5.1 La qualité du maillage ..................................................................................................... 64 3.5.2 La discrétisation temporelle ............................................................................................ 66 3.6 VALIDITÉ DE L'APPROXIMATION DES GRANDEURS .................................................................. 68 3.6.1 Influence de la largeur .................................................................................................... 68 3.6.2 Sensibilité à l'approximation de lafonction B(R) ........................................................... 78 3.6.3 Définition des conditions aux limites .............................................................................. 81 3.6.4 Qualité de l'approximation locale de l'induction ............................................................ 81 3.7 CONCLUSION ........................................................................................................................... 84 CHAPITRE 4 IDENTIFICATION DES SOURCES DE PERTES SUPPLÉMENTAIRES.~ ...... 85 4.1 EVALUATION DES PERTES JOULES DANS LES BOBINES STATOR .............................................. 87 4.2 EVALUATION DES PERTES JOULES DANS LE CIRCUIT MAGNÉTIQUE STATOR ........................... 88 4.3 Ev ALUATION DES PERTES JOULES DANS LA CARCASSE ALUMINIUM ...................................... 88 4.4 EVALUATION DES PERTES JOULES AU ROTOR - CAGE CONDUCTRICE ..................................... 89 4.5 INFLUENCE DES COURTS-CIRCUITS ENTRE TÔLES ROTOR ........................................................ 92 4.5.1 Les mesures de résistivité d'un paquet de tôles rotor ...................................................... 92 4.5.2 Cas des courts-circuits répartis ....................................................................................... 94 4.5:3 Cas des courts-circuits localisés .............. : ...................................................................... 94 4.6 INFLUENCE DES NON SYMÉTRIES DE LA MACHINE - EXCENTRICITÉ ET ANISOTROPIE ............ 97 4.6.1 Le calcul numérique à partir du réseau de réluctance .................................................... 98 4.6.2 Le calcul numérique à partir des éléments finis ............................................................ 102 4.7 ANALYSE SIMULTANÉE DE TOUS LES PHÉNOMÈNES SIGNIFICATIFS (HORS ANISOTROPIE) ... 115 4.8 CONCLUSION ......................................................................................................................... 117 CONCLUSION .................................................................................................................................. 118 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................ 122 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Introduction tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 tel-00764023, version 1 - 12 Dec 2012 Introduction 8 L'étude que nous allons présenter, est le fruit d'une collaboration entre le fabriquant de systèmes d'entraînement Leroy-Somer et le Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble. La société Leroy-Somer fabrique des moteurs électriques, uploads/Geographie/ 1999-chevalier-thierry-opt.pdf