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THESE Présentée Pour obtenir le titre DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNI

THESE Présentée Pour obtenir le titre DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique Par Yasser ALHASSOUN Etude et mise en œuvre de machines à aimantation induite fonctionnant à haute vitesse MM. Bernard TRANNOY Président Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique Industrielle de l’ENSEEHT Unité Mixte de Recherche CNRS N° 5828 N° d’ordre : 2224 Soutenue le 27 mais 2005 devant le jury composé de : Albert FOGIA Rapporteur Daniel MATT Rapporteur Bertrand NOGAREDE Directeur de thèse Mario MARTINEZ Examinateur Année 2005 Carole HENAUX Codirecteur ii Etude et mise en œuvre de machines à aimantation induite fonctionnant à haute vitesse Résumé Actuellement, les actionneurs électromécaniques sont caractérisés par un coût attractif et une faible maintenance. Dans ce contexte, face à des concepts de machines et des processus de fabrication conventionnels maintenant optimisés, l’avènement de nouveaux matériaux magnétiques composites englobant les poudres magnétiques douces peut constituer un bras de levier majeur en matière d’innovation technologique. Leurs processus de fabrication ainsi que leurs caractéristiques magnétiques et mécaniques permettent en effet l’émergence d’actionneurs attractifs autant en terme de coût qu’en terme de performances. Le propos de l’étude consiste dans ce contexte à évaluer le potentiel des ces nouveaux matériaux magnétiques au sein d’une structure de machine tournante conventionnelle. Dans cette optique, conscient des enjeux que sont susceptibles de représenter ces matériaux notamment dans la recherche de la minimisation des pertes fer au sein d’un actionneur, la machine de référence choisie est la machine à réluctance variable destinée à une application haute vitesse. Le mémoire de thèse s’articule autour de quatre chapitres. Le premier chapitre dresse un bilan des différents types d’interactions magnétiques exploitables au sein des actionneurs électromagnétiques dont on énonce les principales structures associées. Un état de l’art des matériaux ferromagnétiques est ensuite développé afin d’évaluer de prime abord les atouts des matériaux composites face aux matériaux classiques laminés. L’exploitation de ces matériaux sera justifiée dans une application haute vitesse au sein d’une structure de machine à aimantation induite que l’on présente sous ses diverses formes. Conformément à la structure de référence choisie, le deuxième chapitre est consacré à la modélisation de la machine à aimantation induite par résolution analytique des équations du champ en deux dimensions. Cette modélisation doit permettre de disposer d’équations analytiques de dimensionnement directement exploitables au sein d’un processus d’optimisation globale développé au laboratoire. Le troisième chapitre présente les quatre prototypes de machines à réluctance variable qui mixent l’exploitation des matériaux laminés et des poudres magnétiques composites. Ces prototypes sont ensuite caractérisés en mode statique puis en mode dynamique sur des bancs d’essais spécifiques. Il est alors possible de dresser un premier bilan comparatif des performances développées par les matériaux utilisés au sein de structures opérationnelles. Afin de préciser le comportement des poudres magnétiques sous conditions sévères, le quatrième chapitre traite des points fragilisants de la machine à réluctance variable fonctionnant à haute vitesse, points constitués des pertes fer, de son échauffement et de sa tenue mécanique. Nous concluons cette thèse en insistant d’une part sur les efforts menés en terme de modélisation analytique des machines à aimantation induite en vue de leur dimensionnement. D’autre part, exploités au sein de cette même structure, les matériaux magnétiques composites font l’objet d’une étude approfondie afin d’évaluer quantitativement leur apport par rapport à des matériaux laminés. Mots clefs • Machine à aimantation induite • Matériaux magnétiques composites • Calcul analytique de champ • Haute vitesse i Study and implementation high speed operating of induced magnetization machines Abstract Actually, electromechanical machines are characterized by their low cost and reduced maintenance. Therefore, new types of magnetic materials such as soft magnetic composites (SMC), have to be considered not only for multiple applications (small motors for automotive) for cost reduction, but also when considering other special requirements such as high speed drive (aircraft and space applications). Our report of thesis is articulated around four chapters: The first chapter show the various types of magnetic interactions used in the electromagnetic actuators. The second chapter is devoted to the modelling of the induced magnetic machines by analytical resolution of equations of the field in two dimensions. The third chapter presents the four configurations prototypes of switched reluctance machine which mix the exploitation of laminated materials and the soft magnetic powders. The fourth chapter discusses the critical conditions of this machines operating at high speed. We conclude, insisting on the efforts carried out in term of analytical modelling of the induced magnetization machines for their dimensions and exploited in this same structure, the soft magnetic composite materials. The results show the potential of soft magnetic powders when considering in particular the high frequency losses and their ability to favour the heat dissipation in this structure. Keywords • Induced magnetization machines • Analytical calculation of magnetic field • Soft magnetic composites • High speed operating iii REMERCIEMENTS Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été conduits au sein du groupe de recherche en électrodynamique (EM3) du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse (LEEI) de l’Ecole Nationale Supérieur d’Electronique, d’Electrotechnique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications (ENSEEIHT). Je remercie donc Monsieur Yvon CHERON, Directeur du LEEI, de m’avoir accueilli au sein de ce Laboratoire et permis de travailler dans d’excellentes conditions. Les développements réalisés ont été encadrés par : - Le Professeur Bertrand NOGAREDE, Responsable du groupe recherche en électrodynamique (EM3), surtout pour ce qui concerne la partie modélisation analytique et généralement pour les autres pistes de mes recherches. J’ai pu pleinement bénéficier de sa grande expérience scientifique dans ce domaine. Je le considère dans le domaine l’électrotechnique des machines électriques et modélisation analytique comme une encyclopédie. Je lui remercie pour ses conseils et sa gentillesse qui me entouré. - Madame Carole HENAUX, Maître de Conférence, pour ce qui concerne la machine à réluctance variable et son alimentation, et d’autre part elle était la responsable directe pendant toutes ces années de cette recherche. Il ne faut pas oublier son aide pendant la rédaction de ce mémoire, je la remercie de mon tout cœur. J’adresse mes sincères remerciements aux membres du Jury qui ont bien voulu examiner mon travail : - Monsieur Albert FOGGIA, Professeur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble pour l’intérêt qu’il a porté à nos travaux ainsi que pour l’honneur qu’il nous a fait en acceptant la charge de rapporteur. - Monsieur Daniel MATT, Maître de conférence HDR de laboratoire d’Electronique de Montpellier II (LEM), qui nous a fait l’honneur de participer à notre jury ainsi que pour l’intérêt qu’il a montré pour nos travaux en acceptant la tache de rapporteur. - Monsieur Bernard TRANNOY, Professeur Emérite, qui m’a fait l’honneur d’examiner notre travail. - Monsieur Mario MARTINEZ, Ingénieur au service Recherche et Développement de la société AUXILLEC, pour avoir accepté d’être membre de jury. iv Mes remerciements s’adressent aussi tout particulièrement aux autres personnes qui m’ont soutenue et qui furent toujours à notre égard d’une disponibilité: - Monsieur Yvan LEVEVRE, chargé de recherche au CNRS, pour tous les renseignements apportés. - Monsieur Jean-François ROUCHON, maître de conférence au sein groupe (EM3), pour son aide concernant le logiciel laboView. - Monsieur Dominique HARRIBEY, Ingénieur d’Etude CNRS au sein du group (EM3), pour son aide au cours du développement des maquettes de mesure. - Monsieur Lauric DUHAYON, Maître de Conférence du groupe (EM3), pour son encouragement permanent. - L’ensemble des thésards du LEEI, je cite d’eux ; Lauric, Matthieu Alexie, Ayaze, Houssem , Yousuf, Samer, Ali ….. Enfin, je tiens à remercier ma famille en Syrie. Mes parents, pour leur soutien et leur encouragement illimité durant ces longues années d’études. Je voudrais leur témoigner ma profonde reconnaissance. Je remercie aussi les membres de ma famille, mon épouse Ieman, mes enfants Amgad, Aiaa et Ashraf. Yasser ALHASSOUN Le 28/03/2005 Table des matières 1 TABLE DES MATIERES Pages Introduction générale......................................................................................…5 CHAPITRE 1 : Les machines à aimantation induite : des concepts de base aux matériaux constitutifs I. Conversion d’énergie électromécanique par interaction de champs magnétiques .......................................................................................................10 I.1. Les différentes procèdes d’interaction………………………………….10 I.2. Interaction de sources produites type courant…………………………..11 I.2.1. Machine synchrone à inducteur bobiné………………………………...12 I.2.2. Machine à courant continu………………………………………..............13 I.3. Interaction de sources produites et induites…………………………….16 I.4. Interaction de sources produites type aimantation et courant…………..18 I.5. Interaction de sources de types aimantation et courant produit………...20 I.6. Synthèse et perspectives………………………………………………..22 II. Matériaux lamines ou matériaux composites............................................25 II.1. Matériaux ferromagnétiques lamines et ses alliages……………….......26 II.1.1. Alliage fer silicium………………………………………………………………..26 II.1.2. Fer - Nickel................................................................................................ ..29 II.1.3. Fer- Cobalt ................................................................................................ ..30 II.1.4. Synthèse……………………………………………………………………………..31 II.2. Matériaux magnétiques composites doux …………………………......32 II.2.1. Constitution des poudres magnétiques douces………………………………..33 II.2.2. Caractéristiques des SMC……………………………………………………….37 II.2.3. Exemple quantitatif……………………………………………………………….40 II.2.4. Conclusion…………………………………………………………………………42 III. Machine à aimantation induite..................................................................43 III.1 Introduction ..........................................................................................43 III.2.Exploitation d’une anisotropie d’ordre géométrique…………………44 III.3. Exploitation d’une anisotropie d’ordre magnétique…………………45 VI. Conclusion du chapitre…………………………………………………...46 Table des matières 2 CHAPITRE 2 : Modélisation analytique des machines à aimantation induite I. Introduction ...................................................................................................51 II. Etat de l’art des modèles analytiques de la machine à réluctance variable .............................................................................................................................34 II.1. Modèle analytique linéaire .................................................................................... ..52 II.2. Modèle magnétique par schéma électrique équivalent (réluctances)……………...55 II.3. Modèle numérique par élément finis..................................................................... ..57 uploads/Industriel/ alahousoum.pdf