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HAL Id: tel-00334048 https://theses.hal.science/tel-00334048 Submitted on 24 Oct 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. ETUDE D’ACTIONNEURS ELECTRIQUES POUR LA TOLERANCE AUX FAUTES Damien Birolleau To cite this version: Damien Birolleau. ETUDE D’ACTIONNEURS ELECTRIQUES POUR LA TOLERANCE AUX FAUTES. Sciences de l’ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2008. Français. NNT : . tel-00334048 INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE N° attribué par la bibliothèque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’Institut polytechnique de Grenoble Spécialité : « Génie Electrique » préparée au laboratoire Grenoble Génie Electrique dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Electronique, Electrotechnique, Automatique, Télécommunication, Signal » présentée et soutenue publiquement par Damien BIROLLEAU le 29 septembre 2008 ETUDE D’ACTIONNEURS ELECTRIQUES POUR LA TOLERANCE AUX FAUTES Directeurs de thèse : Christian CHILLET Sous la responsabilité de Jean-Paul YONNET JURY M. Mohamed GABSY , Président M. Georges BARAKAT , Rapporteur M. Guy FRIEDRICH , Rapporteur M. Jean-Paul YONNET , Directeur de thèse M. Christian CHILLET , Co-encadrant M. Laurent ALBERT , Examinateur A Aurélie2 Remerciements Il me semble qu’un bon début serait de remercier ceux qui se sont déplacés pour moi et ma soutenance. Je remercie donc M. Mohamed Gabsy pour m’avoir fait l’honneur d’accepter la présidence de mon jury de thèse. Je remercie aussi M. Georges Barakat et M. Guy Friedrich pour avoir accepté d'être rapporteurs dans ce même jury. Merci à ces trois personnes pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail. J’ai une pensée spéciale pour M. Guy Friedrich qui a passé une journée éprouvante dans les aléas des transports et de leurs retards. Sa présence, même rapide, n’en a été que plus appréciée. Pour ce qui est de mon laboratoire de thèse, je me dois bien sûr de remercier les deux directeurs qui se sont succédés pendant ces trois ans et qui m’ont accueillis. D'abord M. Yves Brunet, directeur du LEG, laboratoire qui est ensuite passé sous la direction de M. James Roudet lors du changement de structure pour laisser place au G2ELab. Je remercie bien sûr mes deux directeurs de thèse Christian Chillet et Jean-Paul Yonnet. Je m’attarderais plus sur Christian qui a été mon encadrant principal pour ces travaux. Je le remercie particulièrement pour tout ce qu'il m'a appris, ainsi que pour son sens critique aigu et toujours pertinent qui m’a fait avancer dans le bon sens. Je dois aussi mettre en avant la patience dont il a fait preuve pour les explications par téléphone et les corrections à distance (Grenoble et Guyancourt ne sont pas voisins) qui sont des exercices parfois assez compliqués. Mon seul regret aura été de ne pas avoir assez profité de ses connaissances pendant ma thèse en ayant favorisé l’environnement industriel. J’espère donc que ce regret sera effacé par une future collaboration. Au G2ELab, je remercie les personnes de l’équipe MADEA dirigée par Mme Afef Lebouc. Même si j’ai rarement été parmi eux, j’ai beaucoup apprécié les contacts avec les thésards et les permanents de cette équipe. Je remercie aussi l'équipe µSystèmes et ses thésards pour m’avoir laissé m'incruster parmi eux pour avoir un PC lors de mes séjours au laboratoire. Pour en finir avec les laboratoires, je remercie l'équipe des quatre thésards- coincheurs du Gypsa Lab et leur humour que l'on qualifiera d' "original" (par manque d’un qualificatif plus précis…) pour m’avoir appris à jouer à la coinch (même si je n’ai jamais beaucoup dépassé le stade d’apprenti-coincheur). Je remercie en particulier Ludovic Godard qui m'a sauvé quelques soirées lors de mes séjours à Grenoble, et qui a bien aidé pour l’organisation de mon pot de thèse. Si j'ai commencé par la partie laboratoire, je n'oublie pas le côté industriel de cette thèse. Je remercie donc l'entreprise Renault pour m'avoir offert la thèse industrielle que je cherchais. Plus précisément, je remercie M. Dominique Lhotellier, Chef du PUCE Electrotechnique, pour m'avoir accueilli dans son équipe et m’avoir amené, au-delà de la thèse, jusqu’à un poste chez Renault. Si je dois remercier Gareth Pugley qui est à l’origine de mon sujet de thèse, je dois encore plus remercier Laurent Albert qui m’a encadré chez Renault pendant ces trois années. Sa compétence, sa curiosité, son implication dans mon travail ainsi que nos discussions, scientifiques ou non, m'ont énormément apporté. L’ambiance de travail a été excellente, et en cela je remercie toute l’équipe en citant les autres membres présents : Charles Carcenac (qui m’a bien aidé quand j’en avais besoin), Ménouar Améziani, Serge Loudot, Dr. Sébastien E. Gay, ou passés (pour ceux qui ont bougé d'équipe ou d'entreprise) : Paulo Barosso, Abdelhak El-Habibi, Nabil Meziti, Clément Nouvel et Thierry Planas. Hors de l’équipe, mes remerciements vont particulièrement à Lionel Lorimier, pour ses conseils sur la fin de thèse et ses encouragements, et à Anh-Linh Bui-Van pour l’intérêt qu’elle a montré pour mes travaux. Entre le côté industriel et le côté laboratoire, je me considère comme très chanceux, et ce fut un plaisir de réaliser ces travaux de thèse avec un encadrement de cette qualité. En ce qui concerne l'aspect administratif, je veux particulièrement remercier deux personnes qui m'ont beaucoup aidé pour mes démarches des deux côtés de ma thèse : Danielle Collin pour le G2ELab, et Michelle Godefroid pour Renault. Ces deux personnes font leur travail avec une gentillesse et une implication remarquables. Je remercie aussi le Master en information, systèmes et technologie et l'école doctorale du STITS de l'université Paris-Sud et de l'ENS Cachan, ainsi que leurs enseignants-chercheurs pour m'avoir permis de suivre gracieusement des formations scientifiques et professionnalisantes auxquelles je ne pouvais pas assister à Grenoble. Lors de mes déplacements à Grenoble, j’ai été accueilli par l’équipe du Foyer de Jeunes Travailleurs « Les Ecrins » qui fait tout son possible pour le faire vivre. Merci aux personnes de cette équipe pour l’accueil qu’ils m’ont fait, et pour l’énergie qu’ils déploient pour organiser la vie dans leurs locaux. Il est impossible de ne pas dire un mot sur mes parents qui m'ont donné les moyens et l'environnement familial pour arriver jusqu'à cette thèse (trois thèses pour trois enfants !). Merci à eux, mais aussi à mes sœurs et leurs maris respectifs pour leur soutient et les bons moments passés pendant ces trois années, ainsi que pour les futurs bons moments des années à venir (avec mon futur statut de tonton !). Le mot de la fin va logiquement à celle qui m’accompagne dans la vie, Aurélie, qui a si bien su envahir mon espace et prendre sa place dans le quotidien d'un scientifique en première année de thèse (même si elle avait déjà conquis l'essentiel plusieurs années avant). Sa présence a toujours été indispensable pendant cette thèse, et elle le restera encore très longtemps après. Table des matières TABLE DES MATIERES - 8 - TABLE DES MATIERES - 9 - INTRODUCTION................................................................................................................................................15 I. ETAT DE L'ART DES ACTIONNEURS TOLERANTS AUX FAUTES...................................................19 I.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................................19 I.1.1. Contexte...............................................................................................................................................19 I.1.2. Principe de la tolérance aux fautes.....................................................................................................19 I.2. DOMAINE DE RECHERCHE : LES ACTIONNEURS POUR LE DRIVE-BY-WIRE....................................................21 I.2.1. La redondance et ses limites................................................................................................................21 I.2.2. Différence Brake / Steer (Freinage / Direction)..................................................................................21 I.2.3. Le Steer-by-Wire..................................................................................................................................22 I.3. HYPOTHESES SUR LE SYSTEME.....................................................................................................................24 I.4. FAUTES MAJEURES.......................................................................................................................................24 I.4.1. Identification des fautes principales....................................................................................................24 I.4.2. Sur l'onduleur......................................................................................................................................25 I.4.3. Sur l'actionneur électrique ..................................................................................................................28 I.5. CE QUI EXISTE AUJOURD'HUI CONTRE CES DEFAUTS.....................................................................................31 I.6. PRECONISATIONS POUR LE MOTEUR .............................................................................................................31 I.6.1. Préconisations sur la structure ...........................................................................................................31 I.6.2. Indépendance Electrique.....................................................................................................................32 I.6.3. Indépendance magnétique...................................................................................................................37 I.6.4. Isolation thermique..............................................................................................................................38 I.6.5. Isolation physique des phases .............................................................................................................38 I.6.6. Multiplication des phases....................................................................................................................39 I.6.7. Limitation des courants de faute ou de leurs effets .............................................................................40 I.7. PRECONISATIONS SUR LA TECHNOLOGIE......................................................................................................43 I.8. LIMITES DE CES PRECONISATIONS ................................................................................................................43 I.9. CE QU'IL FAUT RETENIR EN GUISE DE CONCLUSION ......................................................................................44 II. SIMULATION PAR ELEMENTS FINIS DE DEFAUTS DANS LE BOBINAGE ..................................47 II.1. INTRODUCTION ...........................................................................................................................................47 II.2. PRESENTATION DES MOTEURS SUPPORTS D'ETUDE......................................................................................47 II.2.1. Choix de la technologie du moteur ....................................................................................................47 II.2.1. Moteurs et caractéristiques................................................................................................................47 II.2.2. Remarques sur la technologie choisie................................................................................................48 II.3. MODELISATION DES MOTEURS ET DU COURT-CIRCUIT ................................................................................48 II.3.1. Hypothèses.........................................................................................................................................48 II.3.2. Grandeurs de référence......................................................................................................................49 II.3.3. Modélisation du court-circuit ............................................................................................................50 II.4. SIMULATIONS D'UN COURT-CIRCUIT INTERNE.............................................................................................52 II.4.1. Détail des simulations réalisées.........................................................................................................52 II.4.2. Résultats du premier moteur..............................................................................................................52 II.4.3. Second moteur....................................................................................................................................62 II.5. AVANTAGES ET LIMITES DE CES SIMULATIONS ...........................................................................................66 II.6. CONCLUSION ..............................................................................................................................................67 III. MODELISATION ANALYTIQUE D'UN COURT-CIRCUIT INTERNE A VITESSE CONSTANTE ................................................................................................................................................................................71 III.1. INTRODUCTION..........................................................................................................................................71 III.2. METHODE DE MODELISATION CHOISIE.......................................................................................................71 III.2.1. Méthode de modélisation..................................................................................................................71 III.2.2. Modélisation du comportement en nominal......................................................................................71 III.2.3. Comportement après l'apparition du court-circuit interne...............................................................73 III.3. MISE EN EQUATION....................................................................................................................................73 III.3.1. Introduction ......................................................................................................................................73 III.3.2. Conditions de mise en équation........................................................................................................74 III.3.3. Calcul du flux dans chaque dent du stator........................................................................................74 III.3.4. Calcul du courant de court-circuit ...................................................................................................77 III.3.5. Calcul du couple...............................................................................................................................78 III.3.6. Calcul de uploads/Science et Technologie/damien-birolleau-these2008.pdf