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    Contribution la conception et audimensionnement dun actionneur

    dembrayage

    Caroline DOC

    Universit de Technologie de Compigne - Laboratoire dElectromcanique de Compigne

    Thse soutenue le 21 Octobre 2010 devant le jury compos de :

    M. HECQUET (rapporteur)F. BETIN (rapporteur)

    G. FRIEDRICH (prsident)J-P. VILAIN (directeur de thse)

    V. LANFRANCHI (encadrant de thse)D. TACCOEN(invit)

  • Remerciements

    Je voudrais tout dabord remercier Monsieur Michel HECQUET et Monsieur FranckBETIN pour avoir accept dtre rapporteurs de ma thse ainsi que pour les changes trsintressants et constructifs que nous avons pu avoir.

    Je voudrais galement remercier la socit VALEO Transmission Amiens pour mavoirpermis de travailler sur ce sujet et plus particulirement Monsieur Jean-Louis DELEVALLEEpour sa disponibilit, ses remarques pratiques et sa foi dans le projet.

    Je remercie aussi Monsieur Jean-Paul VILAIN et Monsieur Vincent LANFRANCHI pourleur encadrement et Monsieur Guy FRIEDRICH pour mavoir accueillie au sein du Labora-toire dElectromcanique de Compigne.

    Je tiens remercier ma famille pour son support constant travers des petits riens, allantdun repas un hbergement en urgence, qui font que les choses sont au final plus faciles.

    Cette thse ne se serait pas droule de la mme faon sans le soutien au quotidien degens sans qui les semaines auraient t plus longues : Clment FOUQUE (mon frre darmes),Vincent LANFRANCHI ( la fois mon grand-frre et le meilleur encadrant possible), Chris-tophe FORGEZ (la dette est grande) et Ccile COSTE (pour tout le reste, il y a FranceTlcom).

    Jai galement une pense toute particulire pour les membres du Laboratoire dElectro-mcanique de Compigne quils aient (Khadija, The Dung) ou non (Nicolas, Sphane, Anne,Monsieur Lemoine, Loc) particip cette thse avec une mention spciale pour mes col-lgues doctorants : Aurlien, Anthony, Dinh Vinh (et toute sa famille), The Dung, Sullivanet Pierre.

    Je noublie pas les amis au sens large, parce quil fait parfois bon de se souvenir quilexiste un monde en dehors de la thse : Chili, Guillaume, et globalement UGR, Olivier CHA-TEAU et Olivier ALLEAUME, Sylvain, Rolland, Vincent, Benoist, Ludovic, Ema, Jenko, etglobalement les Jenkistadors, Jrme, Julien ainsi que Richard et Nol G (sans qui je ne meserais mme pas lance dans laventure).

    2

  • Table des matires

    Remerciements 2

    Introduction gnrale 6

    1 Description du problme 121.1 Principe de fonctionnement de la partie mcanique . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Dfinition des modes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3 Contraintes denvironnement et de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    1.3.1 Encombrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.2 Bobinages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.3 Contraintes thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    1.4 Cycles de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2 tat de lart et choix du type de machine 232.1 tude des types de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    2.1.1 La machine synchrone aimants permanents . . . . . . . . . . . . . . 242.1.2 La machine rluctance variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.3 La machine synchro-rluctance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1.4 La machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.1.5 Synthse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    2.2 La machine synchro-rluctante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.2.3 Topologies de rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    2.3 Choix de la Machine SynchRel rotor segment pour lapplication . . . . . . 38

    3 Mthodologie de dimensionnement systme 403.1 Dfinition de la mthode de dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    3

  • 4

    3.2 Choix des paramtres discrets du moteur par prdimensionement . . . . . . . 453.2.1 tude pour Nepp = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.2 tude pour Nepp = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.3 Validation par simulation lments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.2.4 Choix pratique des paramtres discrets . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    3.3 Profil de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.3.1 Les diffrents profils de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.3.2 Compatibilit des modes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 56

    3.3.2.1 Expression du facteur de puissance . . . . . . . . . . . . . . 573.3.2.2 tude de variation du facteur de puissance . . . . . . . . . . 593.3.2.3 Rapport des puissances des modes de fonctionnement . . . . 60

    3.3.3 Influence et interdpendance des paramtres systmes . . . . . . . . . 613.3.3.1 Calcul de linertie ramene sur larbre moteur . . . . . . . . 623.3.3.2 tude de sensibilit et inter-dpendance des paramtres . . 63

    3.3.4 Dfinition du point de dimensionnement du moteur . . . . . . . . . . 653.3.5 Rsultats de loptimisation du profil de vitesse . . . . . . . . . . . . . 66

    3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    4 Modlisation de la machine synchro-rluctante et dimensionnement 704.1 quations du modle analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    4.1.1 Dfinition de la gomtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.1.2 Modle magntique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.1.3 Modle lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    4.2 Prsentation du moteur retenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.3 Validation par modle lments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    4.3.1 Induction dans les dents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.3.2 Inductances directe et quadrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.3.3 Validation du couple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    4.4 Hypothses et choix concernant la machine SynchRel . . . . . . . . . . . . . 874.4.1 Choix du type dalimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    4.4.1.1 Couplage entre Matlab Simulink et Flux2D . . . . . . . . . 884.4.1.2 Rsultats de simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.4.1.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    4.4.2 Niveau dinduction dans le matriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.4.3 Choix du type de matriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

  • 5

    4.5 tude du dfluxage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.5.1 Limites de lespace couple-vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.5.2 Simulation du dfluxage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.5.3 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    5 Ralisation exprimentale et rsultats 1075.1 Ralisation pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

    5.1.1 Gomtrie du rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.1.2 Ralisation du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.1.3 Implantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    5.2 Commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.2.1 Prsentation de la commande de la machine . . . . . . . . . . . . . . 1135.2.2 Consigne de couple, de courant et anticipation . . . . . . . . . . . . 1165.2.3 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1185.2.4 Calage du rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

    5.3 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.3.1 Essais statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.3.2 Essais dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

    Conclusion et perspectives 128

    Bibliographie 131

    Annexes 136

    A Liste des annotations utilises 137

    B Valeurs standardises des fils de cuivre 141

    C Calcul des profils de vitesse 142

    D Modlisation fine (second modle) 148

    E Modlisation par lments finis de machines SynchRel avc diffrents ma-triaux 155

  • Introduction gnrale

    En 1992, au sommet de la Terre Rio, la communaut internationale a pris consciencepour la premire fois des risques lis un changement climatique. En raction ce sommet, partir de 1997, le protocole de Kyoto a t mis en place afin de limiter les missions degaz effet de serre. A lentre en vigueur du protocole de Kyoto, le 16 fvrier 2005, 55 tatsstaient alors engags rduire leurs missions de gaz effet de serre den moyenne 5,5%par rapport au niveau de 1990 sur la priode 2008-2012. Dans le cas de lUnion Europenne,la rduction prvue tait de 8 %. Aujourdhui, ce protocole et son trait dapplication ont tratifis par 183 pays. Parmi les gaz responsables des changements climatiques figure le gazcarbonique ou dioxyde de carbone (CO2) provenant principalement de la

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