March 07, 2022
16:00
Louvain-la-Neuve
Auditorium A.02 (Sciences)
Pour l’obtention du grade de Docteur en sciences de l’ingénieur et technologie
La technologie des PCB felixibles permet de développer de nouveaux types de bobinages qui améliorent les performances des moteurs électriques. On peut en eet remplacer le bobinage laire habituel par un circuit imprimé, sur lequel il est possible de dessiner des pistes de cuivre aux formes très variées, ce qui amène de nouveaux degrés de liberté exploitables pour l’optimisation des moteurs.
Ce travail se concentre plus précisément sur le cas des petits moteurs DC synchrones à aimants permanents avec entrefer lisse, pour lesquels les PCB exibles sont particulièrement bien adaptés. Le choix d’utiliser des aimants se justie par le développement des terres rares qui permettent maintenant d’obtenir une grande densité d’énergie. Le choix d’une topologie avec un entrefer lisse procure de nombreux avantages et est guidé par le fait que, d’une part elle laisse la place à un arrangement des conducteurs complètement libre, et que d’autre part elle permet la réduction des pertes fer, du couple de dentures, des vibrations ou encore du bruit, grâce à l’absence de dents ferromagnétiques.
Bien que les bobinages sur PCB aient démontré leur ecacité à faible vitesse, on y observe rapidement l’apparition de courants induits lorsque la vitesse du moteur augmente. Car à même section de conducteur, les pistes de cuivre imprimées sont plus larges que le l que l’on retrouve dans des bobinages standards et par conséquent de plus grandes surfaces conductrices sont exposées perpendiculairement au champ magnétique des aimants en rotation.
L’objectif principal de la thèse est donc de modéliser les pertes par courants induits pour les estimer et réduire leur impact lors de la conception et de l’optimisation des moteurs.
La première partie de la thèse concerne la modélisation de ces pertes. Un modèle de départ utilisant des éléments nis 3D et, s’appuyant sur une formulation de la magnétodynamique en potentiel vecteur, est présenté. Partant de ce modèle de référence, dès lors qu’on connait l’expression du champ magnétique induit par les aimants permanents, on montre qu’il est possible d’estimer les pertes par courants induits à l’aide d’un modèle 2D FEM de façon beaucoup plus rapide et moins couteuse en temps de calcul. Cette réduction du coût de calcul permet entre autresde modéliser un bobinage de moteur au complet et d’y observer l’évolution des courants induits. Ce modèle, en plus d’être rapide et précis, a la particularité intéressante de prendre aussi en compte la forme et la topologie des conducteurs. Par la suite un modèle analytique est également proposé an de disposer d’un outil capable d’estimer les pertes par courants induits en un temps encore plus réduit. Ce modèle analytique nous donne la possibilité de prendre en compte ces pertes dans le cadre d’une procédure d’optimisation qui demanderait un très grand nombre d’évaluations. Afin de valider les modèles proposés, un banc d’essai expérimental a été mis en place.
La deuxième partie de la thèse met en oeuvre les diérents modèles créés afin d’étudier, d’une part l’impact de ces pertes sur le design optimal d’un moteur en fonction de son point de fonctionnement donné et, d’autre part la pertinence d’utiliser des modèles éléments nis pour l’optimisation d’un moteur. En plus de conrmer que les pertes par courants induits sont essentielles à prendre en compte dans le cas de bobinages PCB, un premier résultat montre que la principale variable d’ajustement lorsque l’on souhaite changer le point de fonctionnement du moteur, est la largeur des pistes conductrices. Une seconde observation indique qu’il est possible de tendre vers une conception presque optimale uniquement à l’aide de modèles analytiques.
La troisième partie de la thèse propose une stratégie permettant de limiter les pertes par courants induits. Une simple diminution de la largeur des conducteurs n’est pas susant car elle va de paire avec une augmentation du nombre de spires du bobinage. Or dans ce cas, la tension d’alimentation étant limitée par l’électronique de puissance, cela impliquerait de mettre des spires en parallèle au détriment d’éventuels courants de recirculation. La solution suggérée pour résoudre ce problème est de dessiner des coupures isolantes dans les pistes de cuivre de la façon la plus adéquate possible. Cela revient à réaliser des parallélisations à une échelle plus locale, sans impacter la tension d’alimentation du moteur. Ce travail a mis en évidence les congurations optimales pour ces coupures et a montré qu’elles l’étaient pour toute une gamme de points de fonctionnement.
Jury members :
- Prof. Bruno Dehez (UCLouvain, Belgique), supervisor
- Prof. Aude Simar (UCLouvain, Belgique), chairperson
- Dr. Francois Henrotte (UCLouvain, Belgique)
- Dr. François Baudart (UCLouvain, Belgique)
- Prof. Elena Lomonova (TU/e, EPE group, Netherlands)
- Prof. Yves Perriard (EPFL, LAI, Switzerland)