Contribution à l'amélioration des performances des machines à courant continu à aimants permanents dans des applications automobiles à forts courants

par Aurélien Vauquelin

Thèse de doctorat en Technologies de l'information et des systèmes

Sous la direction de Jean-Paul Vilain et de Stéphane Vivier.

Soutenue en 2010

à Compiègne .

mots clés

• Machines à courant continu
• Balais
• Commutateurs
• Vecteurs d'espace
• Électrotechnique
• Génie mécanique
• Courants continus
• Commutation (électricité)
• Machines électriques
• Automobiles -- Moteurs -- Démarreurs
• Modèles mathématiques

Résumé

Dans de nombreuses applications du génie électrique, les machines à commutation mécanique constituent encore à ce jour une solution pertinente à l'implantation d'un actionneur électromécanique. Leur grande fiabilité et leur coût de fabrication relativement limité restent des avantages indéniables malgré les progrès récents de l'électronique. Ceci justifie les recherches actuelles sur ces machines. Le démarreur automobile, dispositif permettant l'entraînement du moteur thermique, doit répondre à un cahier des charges statique et dynamique exigeant. Ces travaux présentent l'étude des machines électriques mises en oeuvre dans les démarreurs. Deux méthodologies de modélisation y sont présentées. La première consiste à résoudre les équations qui régissent le comportement des circuits électriques équivalents aux différentes topologies de la machine. Elle permet de ressortir les évolutions temporelles de toutes les grandeurs électriques et magnétiques de la machine. La seconde, plus rapide, reprend la théorie de la modélisation des machines synchrones par vecteurs d'espace. Une généralisation de cette théorie à la machine à courant continu a été élaborée. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont permis d'enrichir ces modèles et de mener une séparation des pertes sur deux appareils de la gamme des démarreurs à aimants : le FS18 et le FS20. Un nouveau principe nommé VIVA a été élaboré permettant une hausse du rendement des machines. Des validations expérimentales ont permis la vérification des modèles et la validation des concepts.

Titre traduit

Study on performance of DC brush permanent magnet machines in automotive applications

Résumé

In many applications of electrical engineering, DC machines with mechanical commutator are a relevant solut ion to the implementation of an electromechanical actuator. Their high reliability and manufacturing costs remain relatively low despite the undeniable benefits of recent advances in electronics. This justifies the current research on these machines. In such a context, the starter motor must meet static and dynamic specifications. These works present the study of electrical machines used in the starters. Two modeling methodologies are presented. The first one consists in solving the equations governing the behavior of equivalent electrical circuits for different topologies of the machine. It can show the temporal evolutions of ail the electrical and magnetic quantities of the machine. The second one, farter, uses the theory of modeling of synchronous machines by space vector. A generalization of this theory to the DC machine has been developed. Several experimental devices have served to enhance these models and carry out a separation of two starter losses : the FS18 and FS20. A new principle called VIVA has been developed to increase the performance of the machine. Experimental validation led to the model verification and validation concepts.