La conception, l'étude théorique et expérimentale, d'une génératrice électrique linéaire à structure polyentrefer à lamesguidées ou frottantes

par Pierre Kenfack

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Daniel Matt.

Soutenue le 20-06-2018

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Yacine Amara.

Le jury était composé de Daniel Matt, Yacine Amara, Abderrezzak Cherifi, Thierry Talbert, Philippe Enrici.

Les rapporteurs étaient Abderrezzak Cherifi, Thierry Talbert.


  • Résumé

    La génératrice électrique linéaire est destinée à être accouplée à une machine thermique (thermoacoustique) pour la conception d'un groupe électrogène à source de chaleur externe (Récupération de la chaleur d'une machine thermique). Cette thèse porte sur l'adaptation au fonctionnement en génératrice, plus précisément au fonctionnement en régime permanent à facteur de marche unitaire. Une attention toute particulière est portée aux aspects tribologiques liés au guidage des lames constituants les parties fixes et mobiles de la structure électromagnétique. Une revue de littérature est présentée avant de passer à une discussion théorique sur les notions fondamentales relatives au calcul électromagnétique. Les paramètres du circuit équivalent en régime permanent et le rendement de la génératrice sont calculés à partir des caractéristiques dimensionnelles et structurales de la génératrice. La conception et les performances en régime permanent de la génératrice sont validées par la méthode par éléments finis. Le modèle numérique est intégré dans un processus d’optimisation multi-objets par un ensemble des meilleurs compromis facilitant le choix de dimensionnement de la génératrice et une solution à plus haut rendement est retenue comme concept final. La validation par la méthode des éléments finis est faite avec ANSYS. La validité est vérifiée par une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et numérique.Le principal problème rencontré dans la conception des génératrices électriques linéaires à structure polyentrefer à lames guidées ou frottantes est dans le contrôle des jeux mécaniques nécessaires pour permettre le déplacement permanent des parties mobiles. Ce problème est très difficile à contrôler en raison de l'entrefer magnétique qui doit être aussi faible que possible pour éviter de pénaliser la pression magnétique tangentielle. Les pièces mobiles sont de faible épaisseur dans la structure polyentrefer, donc moins rigide. Les lames mobiles, par conséquent, ont tendance à frotter contre les parties fixes. Le triboguidage participe à la résolution de ce problème. La tribologie est l'étude du frottement et de la lubrification appliquée aux problèmes d'usure. Son objectif est d'atténuer l'usure et le frottement dans le but d'améliorer les performances de la génératrice électrique linéaire à structure polyentrefer à lames guidées ou frottantes. Le dispositif qui permet de compenser, voire d’annuler les efforts de friction qui apparaissent entre les deux stators fixes et la lame mobile en translation a été conçu et réalisé. Ce dispositif de compensation est un système de vis de pression agissant sur les ressorts. Le principe est de reprendre exactement la force d’attraction entre la partie mobile et les stators grâce à une force d’écartement réglable (action sur un ensemble de vis de pression sur des ressorts) entre les stators.

  • Titre traduit

    DESIGN, THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES, LINEAR ELECTRIC GENERATOR MULTI AIR-GAP STRUCTURE GUIDED OR SLIDING PLATES.


  • Résumé

    The linear electric generator is intended to be coupled to a thermal (thermoacoustic) machine for the design of a generator set with external heat source (heat recovery of a thermal machine). This thesis deals with the adaptation to generator operation, more precisely to steady-state operation with a unit power factor. Special attention is paid to tribological aspects related to guiding the fixed and moving parts of the electromagnetic structure.A literature review is presented before moving on to a theoretical discussion on the fundamental concepts relating to electromagnetic computation. Equivalent steady-state circuit parameters and generator efficiency are calculated from the dimensional and structural characteristics of the generator. The design and steady-state performance of the generator are validated by the finite element method. The numerical computation is integrated into a multi-object optimization process by a set of the best compromises facilitating the choice of generator sizing and a high efficiency solution is retained as the final concept. Validation by the finite element method employed in ANSYS is done. Validity is verified by a good match between the experimental and numerical results.The main problem encountered in the design of linear electric generators multi air-gap structure guided or sliding plates is in the control of the mechanical clearance necessary to allow the permanent displacement of moving parts. This problem is very difficult to control because the magnetic air-gap must be as small as possible to avoid penalising the tangential magnetic pressure. The moving parts are of low thickness in the multi air-gap structure, therefore less rigid. The moving plates, therefore, tend to rub against the fixed parts. The triboguiding helps solve this problem. The tribology is the study of friction and lubrication applied to wear problems. Its objective is to reduce wear and friction in order to improve the performance of linear electric generator multi air-gap structure guided or sliding plates.The device has been designed and implemented to compensate or even cancel the friction forces that appear between the two fixed stators and the moving plate in translation. This device is a system to compensate for reaction force based on pressure screws acting on springs. The principle is to return the exact force of attraction between the mover and the stators thanks to an adjustable spacing force (the action of a set of pressure screws on springs) between the stators.


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