Article

1 - PRÉSENTATION

2 - DIMENSIONNEMENT RAPIDE

3 - AUTRES PARAMÈTRES OU CARACTÉRISTIQUES DE DIMENSIONNEMENT

4 - EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT RAPIDE

Article de référence | Réf : D3554 v1

Dimensionnement rapide des machines synchrones à aimants permanents (MSAP)

Auteur(s) : Daniel FODOREAN, Abdellatif MIRAOUI

Date de publication : 10 nov. 2009

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Cet article présente une démarche analytique rapide et complète dans le dimensionnement d'une machine synchrone à aimants permanents. L'approche analytique est basée sur le circuit équivalent des réluctances magnétiques et contient plusieurs éléments à prendre en considération, notamment le point de départ, les caractéristiques électromagnétiques des matériaux, les différents topologies rotoriques, les différents types de bobinage et des conseils pour rendre les topologies tolérantes aux défauts. La démarche de dimensionnement est complétée par un modèle thermique, un modèle mécanique pour le tube de consolidation des aimants et l'évaluation de l'investissement pour la partie active de la machine. Un algorithme d'optimisation par gradient est également proposé. La validation de la démarche rapide de dimensionnement est réalisée par des simulations, en régime dynamique, par la méthode des éléments finis, en implémentant le couplage entre deux logiciels performants : Flux2D et Matlab/Simulink.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

This article presents a rapid and exhaustive analytical approach to designing a permanent magnet synchronous machine. Based upon the magnetic reluctances equivalent circuit, the present approach includes several elements which have to be taken into account in the designing process such as: the design starting point (the airgap diameter or the permanent magnet volume), the electro-magnetic material characteristics, the different rotor topologies (salient or non salient), several winding configurations (polar pitch or shortened pitch, with one or more slots per pole and per phase) and indications for fault tolerant armature configurations (distributed or concentrated winding type). The design approach is completed by a thermal model, a mechanical model for the permanent magnet retaining cylinder and the assessment of the cost of active parts. An optimization model, based on gradient algorithm, is also presented. The validation of this fast design approach is achieved through a dynamic simulation based on the finite element method, by coupling two powerful software packages: Flux2D and Matlab/Simulink.

Auteur(s)

  • Daniel FODOREAN : Maître de Conférences, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard

  • Abdellatif MIRAOUI : Professeur des Universités, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard - Directeur du Département Génie Électrique et Systèmes de Commande

INTRODUCTION

Le dimensionnement des machines électriques reste une étape essentielle lors de la réalisation d'un dispositif électromécanique. La puissance de calcul, la précision de l'analyse numérique des ordinateurs actuels, ainsi qu'une qualité visuelle de l'interface de travail sous des logiciels spécifiques ne peut jamais remplacer la démarche analytique en vue de la détermination des paramètres géométriques et électromagnétiques d'une machine électrique. Cette démarche analytique est basée sur deux approches possibles : le calcul du potentiel vecteur ou le réseau de réluctances.

La méthode du potentiel vecteur représente la base de l'électromagnétisme. Sa théorie a été démontrée par James Clerk MAXWELL, il y a plus de 150 ans. Toutes les approches numériques et les logiciels d'analyse par éléments finis sont basés sur ce type de calcul. Malgré sa précision, le calcul du potentiel vecteur reste une méthode analytique de dimensionnement exclusivement utilisée par des spécialistes, avec des expressions mathématiques très longues, avec un calcul des coefficients d'intégration très complexes où le risque d'erreur de calcul est très élevé et pour lequel la possibilité de simplification et d'adaptation à des structures similaires est très difficile (parfois impossible).

Le réseau de réluctances (ou de perméances) est la méthode classique dans l'électrotechnique pour le calcul et la caractérisation des circuits magnétiques. Cette approche est basée sur beaucoup de méthodes simplificatrices et certains paramètres sont ajustés empiriquement. Mais, pour un calcul plus fin, on peut rajouter des calculs itératifs (le calcul de la saturation, par exemple). Étant une méthode qui ne nécessite pas de calculs analytiques sophistiqués, cette approche est utile pour l'estimation des performances globales des dispositifs d'entraînement électromécaniques et c'est pourquoi elle est préférée par les concepteurs industriels.

Le présent travail est proposé pour l'environnement industriel comme un outil de dimensionnement rapide des machines électriques, en particulier pour les dispositifs électromécaniques excités par des aimants permanents. Les approches de dimensionnement sont diverses. La méthode proposée est basée sur le calcul par réseau de réluctances, à laquelle on ajoute des coefficients obtenus numériquement (par éléments finis) ou par mesures. On se propose donc de présenter une démarche analytique complète et facile à implémenter pour le dimensionnement des structures des machines synchrones à aimants permanents (MSAP).

Dans une partie introductive sont présentées quelques généralités sur les MSAP et leurs éléments constitutifs (point de fonctionnement de l'aimant, différents types de bobinage en fonction d'une application donnée, structures rotoriques usuelles excitées par des aimants permanents). Une démarche complète pour le dimensionnement rapide des MSAP est ensuite exposée (avec plusieurs topologies rotoriques, leurs paramètres géométriques et électromagnétiques, les caractéristiques de fonctionnement). Des procédures de détermination des autres paramètres de dimensionnement permettent les caractérisations thermique, mécanique et de l'investissement de la partie active de la machine. Une comparaison et un exemple d'étude à implémenter lors du dimensionnement rapide des MSAP permettent de conclure.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3554


Cet article fait partie de l’offre

Conversion de l'énergie électrique

(275 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Conversion de l'énergie électrique

(275 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BRISSONNEAU (P.) -   Aimants permanents. Principes et circuits magnétiques.  -  [D 2 090] Génie électrique (1990).

  • (2) - LEPRINCE-RINGUET (F.) -   Aimants permanents. Matériaux et applications.  -  [D 2 100] Génie électrique (1996).

  • (3) - BEN AHMED (H.), BERNARD (N.), FELD (G.), MULTON (B.) -   Machines synchrones. Principes généraux et structures.  -  [D 3 520] Génie électrique (2005).

  • (4) - FOGGIA (A.) -   Méthodes de calcul des inductances de fuites.  -  [D 3 440] Génie électrique (1999).

  • (5) - LE BRETON (J.-M.), MOREL (A.), TENAUD (P.) -   Une nouvelle génération d'aimants permanents hexaferrites.  -  [RE 30] Génie électrique (2005).

1 Sources bibliographiques

JAHNS (T.M.) - Flux weakening regime operation of an interior permanent magnet synchronous motor drive. - IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 1, no 4, p. 681-689 (1987).

SLEMON (G.R.) - Achieving a constant power speed range for PM drives. - IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 31, no 2, p. 368-372 (1995).

FODOREAN (D.) - DJERDIR (A.) - VIOREL (I.A.) - MIRAOUI (A.) - A double excited synchronous machine for direct drive application – esign and prototype tests. - IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 22, no 3, p. 656-665, sept. 2007.

CATHEY (J.J.) - Electric machines. Analysis and design applying Matlab. - McGraw Hill International Edition (2001).

MILLER (T.J.E.) - Brushless permanent-magnet and reluctance motor drives. - Oxford Science Publications (1989).

FODOREAN (D.) - RUBA (M.) - SZABO (L.) - MIRAOUI (A.) - Comparison of the Main Types of Fault-Tolerant Electrical Drives used in Automobile Applications. - Proc. of the IEEE International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion – SPEEDAM'08, Ischia, Italy, p. 895-900, 11-13 juin 2008.

SOONG (W.L.) - MILLER (T.J.E.) - Theoretical limitation to the field-weakening performance of the five classes of brushless synchronous ac motor drive. - Proc. of European Power Electronics Chapter Symposium, Lausanne, p. 127-132 (1994).

RAHMAN (M.A.) - ZHOU (P.) - Analysis of brushless permanent magnet synchronous motors. - IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 43, no 2, p. 256-267 (1996).

NIPP (E.) - Permanent magnet motor drives with switched stator windings. - PhD paper, Royal Institute of Technology, Department of Electric Power Engineering-Electrical Machines and Drives,...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Conversion de l'énergie électrique

(275 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS