Modélisation thermique par éléments finis en 3 dimensions : application aux machines électriques de faible puissance

par Robert Bernard

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Jean-Marie Kauffmann.


  • Résumé

    Ce travail concerne le développement et la validation d'un modèle de simulation du comportement thermique tridimensionnel en régime permanent de petits moteurs électriques à courant continu, à aimants permanents et à collecteur. Trois moteurs, de très grande série, de différentes géométrie et puissance sont étudiésL Le logiciel est développé à partir du code de calculs par éléments finis FLUX3D. Toutes les structures intégrées sont totalement paramétrées sur le plan géométrique en vue d'une aide à la conception et à l'optimisation de topologies relativement voisines. L'équation de la chaleur modelise l'ensemble des transferts thermiques du moteur. Cela implique de recaler certains paramètres thermofluides par confrontation directe des températures simulées et expérimentales. Une séparation détaillée des différentes pertes est effectuée à l'aide d'un banc d'essais. Une méthode expérimentale associée à un modèle analytique de commutation est proposée pour estimer précisément les pertes générées aux contacts balais-collecteur. Un modèle numérique 2D de caractérisation de matériaux hétérogènes et anisotropes (bobinage) est établi. Un banc d'essais thermiques permet d'obtenir à l'aide de 40 thermocouples (chromel-alumel de 100 uM de diamètre), les températures au stator et au rotor. Une caméra de thermographie infrarouge donne les conditions aux limites de Dirichlet nécessaires à la modélisation. Les résultats expérimentaux et simulés sont analysés et confrontés. On détaille ensuite un modèle permettant de déterminer l'évolution des températures du moteur en fonction de la vitesse. De plus, une prise en compte de l'évolution de l'ambiante est réalisée au travers des conditions aux limites de Neumann non homogènes (H,e). L'avant dernier point traite de potentielles incertitudes de valeurs de paramètres (sources, conductivités) et de leur conséquence sur les températures finales simulées. Pour terminer, l'étude complète d'une quatrième machine de structure nouvelle (mais de topologie similaire) montre la validité de la méthode au travers d'une bonne convergence des températures statoriques simulées et expérimentales.

  • Titre traduit

    Modelisation of the thermal behaviour by a 3D finite elements method : application to low power electrical machines


  • Résumé

    The aim of this work concerns the development and the validation of a computation thermal steady state model applied to the thermal behaviour of permanent magnet direct current motors with commutator. Three mass production motors with different geometry and power are studied. Design have been realized thanks to the thermal modulus of the computation software with the finite element method FLUX3D converted in a resolution tool of the heat equation. All the integrated structures are defined thanks to geometric parameters so to be transformed into a conception and optimisation tool with relatively similar topologies. It is shown in that thesis how it is possible to use only the heat equation to simulate the thermal behaviour of a motor. It imposes to calculate new fluid conductivities (considering also all thermal transfer modes) by comparizon of calculated and experimental temperatures. To realize these modelizations, it is necessary to know and to locate all the losses of the motor which are considered as thermal sources. An experimental method associated to an analytic commutation model is proposed to estimate with a very good accuracy the heat losses created by the contact brush-commutator. A 2D computation method which permits to calculate radial conductivities of windings (non isotrop and unhomogeneous structures) is presented. The experimental temperatures are given by forty chromel-alumel thermocouples of 100uM diameter located in the rotor and the stator of the machine. Numerical computations use Dirichlet boundary layers conditions given by an infrared thermographic camera. Whole experimental and calculated results are compared and analyzed. Then we describe a model which permits to predict the evolution of the motor temperatures with rotation speed. Moreover, the modification of surrounding temperature is treated by calculus of the new Neumann unhomogeneous boundary layers (H,e). An other point concerns consequences on final simulated temperatures when particular parameter values as sources and conductivities are not approximated with enough accuracy. At least, a new motor structure is extrapolated with the validated software. The pertinence of that new approach is shown through a good convergence of calculated and experimental temperatures at the stator.

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Informations

  • Détails : VIII-282 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 219-227

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  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire Lucien Febvre (Belfort).
  • PEB soumis à condition
  • Cote : Th.Sc.1998.1
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