Modélisation et conception optimale de moteurs à courant continu à aimants permanents : développement d'un outil et validations expérimentales

• Auteur / Autrice : Marylin Fassenet
• Direction : Jean-Marie Kauffmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique -- Informatique

Conception et construction

Moteurs à courant continu

Résumé

Les travaux de recherche s'inscrivent dans le cadre de l'étude des petits moteurs électriques de faible puissance produits en très grande série par l'industrie automobile avec des contraintes technico-économiques particulièrement fortes. L'application porte plus précisément sur des moteurs à courant continu, à aimants permanents destinés à refroidir le moteur thermique du véhicule. Face à la multiplication des organes électriques au sein d'un même véhicule, l'objectif est de diminuer l'encombrement du moteur de ventilation et dans la mesure du possible d'augmenter son rendement. Le but des travaux réside donc dans l'élaboration d'un logiciel d'optimistation et d'aide à la conception. Une première phase concerne le développement d'un modèle analytique permettant, à partir d'une géométrie et de matériaux de construction donnés, de prédire les performances magnétiques et électromagnétiques du moteur pour un point ou sur une plage de fonctionnement. La principale originalité de la modélisation est de prendre en compte l'ensemble des phénomènes liés à la commutation et plus particulièrement la mise en court-circuit de certaines bobines par les balais lors de la rotation de l'induit. Les résultats du modèle analytique ont été validés par des simulations numériques et complétés par des mesures effectuées de manière automatique sur un banc d'essais développé au laboratoire. Les analyses comparatives sont très encourageantes et autorisent donc une seconde phase, l'implantation du modèle analytique au sein d'une procédure d'optimisation PASCOSMA pour générer une application de dimensionnement. Le dimensionnement automatique de la machine est réalisé en respectant l'ensemble de ces contraintes et en minimisant la fonction objectif. Les travaux se sont finalisés par la création d'un logiciel d'aide à la conception permettant, à partir des charges, d'obtenir la géométrie de moteur la mieux adaptée pour répondre aux critères de dimensionnement imposés.

This work deals with the study of low power electric motors manufactured in mass production by the car industry with particulary strong technical and economical constraints. The application concerns more precisely dc commutator motors with permanent magnet driving a fan in an engine cooling system. Faced with the multiplication of electrical system per car, the manufacturers objective is to decrease each motor bulk and as far as possible to rise their efficiency. The aim of this thesis lies in the development of a software for optimisation and design assistance. A first phase concerns the development of an analytical model which allows, from a motor geometry and the characterisation of its materials, to predict magnetic and electromechanical performances for a running point or on an operating range. The principal originality of the modelling is to take into account the phenomena related to commutation and more particulary the fact taht some coils are short-circuited by brushes during the armature rotation. The results obtained by the analytical model are confirmed by numerical simulations and validated by experimental results on an automated bench developed in the laboratory. The results are in very good agreement and thus allow, in a second phase, the implementation of the analytical model in an optimising procedure PASCOSMA (optimisation software developed at the laboratory of electrical engineering of Grenoble) to generate a design application. The performances expected for a running point as well as the constraints on various parameters are introduced by a convivial user interface. Automatic design of the motor is realised by respecting all the constraints and by minimising the objective function. The optimisation procedure, applied to a given motor, allowed an increase of 3. 5 points of its efficiency with a reduction of 45% of its axial bulk, in accordance with the design specifications. This work is finalised by the product of an assistance software for motor design which allows to impose constraints and to obtain the best adapted motor geometry for the imposed criteria.