Machine synchro-réluctante à haute température interne (500° C)

High-temperature synchro-reluctant machine (500° C)

• Auteur / Autrice : Hamed Elmadah
• Direction : Noureddine Takorabet, Daniel Roger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Michel Hecquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noureddine Takorabet, Daniel Roger, David Malec, Sami Hlioui, Maya Hage Hassan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Malec, Sami Hlioui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation électrique

Isolants thermiques

Machines à réluctance

Hautes températures

Machines électriques

Mots clés libres

Machine à haute température

Isolation inorganique

Machine synchro-réluctante

Schéma équivalent à haute fréquence

High temperature machine

Inorganic insulation

Synchro-reluctant machine

High frequency equivalent circuit

Résumé

Les machines électriques associées à leurs systèmes électroniques de commande offrent des possibilités fonctionnelles très intéressantes mais elles ne sont utilisables durablement que dans une gamme de température limitée à cause de leur système d’isolation électrique à base de polymère. Après avoir analysé les verrous technologiques qui limitent la température interne des machines électriques actuelles, la structure d’une machine capable de travailler à une température interne très élevée, de l’ordre de 500°C, est proposée. Cette machine est dotée d’un système d’isolation électrique inorganique dépourvu de polymère. Grâce à leur conception spécifique, les bobines réalisées et testées peuvent supporter durablement des contraintes imposées par les fronts raides des convertisseurs MLI alimentés par le bus HVDC 540V. Pour éviter les limites thermiques liées aux aimants, la structure proposée est celle de la machine synchro-réluctante à bobinage concentré. Le circuit magnétique est formé de tôles, FeCo au stator et FeSi au rotor, isolées par leur oxydation naturelle. Une étude théorique des topologies possibles et une démarche de conception et optimisation des formes des éléments critiques est menée. Un prototype qui met en œuvre les solutions proposées a été construit. Les essais menés avec ce prototype à une température ambiante de 320°C et une température interne de 550°C montrent qu’un fonctionnement durable à de telles températures est possible. Une analyse critique présente les nouvelles limites d’une telle machine.

Electrical machines with their electronic control systems offer very interesting functional possibilities, but they can only be used permanently in a limited temperature range because of their polymer electrical isolation system. After analyzing the technological locks that limit the internal temperature of current electrical machines, the structure of a machine able to work at a very high internal temperature, around 500°C is proposed. The proposed machine is designed with an inorganic electrical isolation system made without any polymer. The coils of the experimental machine are made with a specific design; tests prove that the proposed coils are able to withstand the electrical stresses imposed by the steep fronts of the PWM inverters supplied by the HVDC 540V bus at high temperatures. To avoid the thermal limits related to the magnets, the proposed structure is the synchro-reluctant machine with concentrated windings. The magnetic circuit consists of sheets of FeCo at the stator and FeSi at the rotor. The magnetic sheets must be insulated by their natural oxidation. A theoretical study of the possible topologies and a process of design and optimization of geometry of the critical elements is performed. A prototype that implements the proposed solutions has been constructed. Experiments on this prototype at an ambient temperature of 320°C and an internal temperature of 550°C show that it is possible to operate permanently at these temperatures. A critical analysis presents the new limits of this high temperature of machine.