Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 21 IV. Dimensions principales des Machines électriques IV.1 Dimensions principales de la machine asynchrone Les principaux paramètres du dimensionnement sont géométriques (diamètre de d’alésage, longueur utile, dimensions des encoches), électrique (densité de courant et charge linéique), magnétiques (induction dans l’entrefer et dans les différents tronçons de la machine). IV.1.1 Dimensions du stator Selon l’utilisation, l’emplacement et l’encombrement les machines asynchrones peuvent avoir une forme extérieure différentes. La Figure IV.1 montre les formes les plus utilisées pour les machines électriques industrielles [4]. Figure IV.1 Différentes formes du stator IV.1.2 Bobinages statoriques Le circuit magnétique statorique est constitué d’un empilement de tôles fines d'acier découpées faisant apparaître les différentes encoches statoriques. On utilise des tôles minces dont l’épaisseur varie entre 0,35mm et 0,50 mm pour minimiser les pertes magnétiques. Afin de limiter l'effet des courants de Foucault, on isole habituellement les tôles d'une mince couche de verni ou de silicate de soude. Le bobinage statorique est constitué de deux parties : les conducteurs dans les encoches et ceux des têtes de bobines. Le calcul de l’enroulement statorique commence par le choix du type d’enroulement à utiliser. Les enroulements sont caractérisés par le nombre d’encoches par pôle et par phase qu’occupent les /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 22 conducteurs appartenant à la même phase et se trouvant au même instant sous le même pôle. On distingue, suivant la disposition des têtes de bobines (connexion entre les conducteurs), des enroulements concentriques et des enroulements imbriqués [8]. Figure IV.2 Distribution de bobinage dans les encoches statoriques La Figure IV.2 montre un exemple d’un bobinage de 48 encoches du stator avec a 4-pole pour de types de distribution de bobinage (concentrique et imbriqué), le pas d’enroulement est 11 le nombre de bobine par phase et par pole est CPP = 4, Le schéma montre l’enroulent d’une seule phase. Les différents types de distribution de bobinage utilisés permettent de réduire ou supprimer certaines harmoniques d’espace. Figure IV.3 Types de bobinages les plus utilisés dans les machines asynchrones triphasées Une bobine est formée de plusieurs spires en série et la spire est contient un aller-retour d’un seul conducteur. Un conducteur peut être formé de plusieurs conducteurs appelés « voie » afin de respecter le diamètre maximal des conducteurs exigé par la norme. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 23 Figure IV.4 Bobine d’enrouement Un enroulement statorique est formé de plusieurs bobines mises en séries pour former le nombre de pôles nécessaires par phases. Les trois enroulements statoriques sont identiques avec un nombre de spires par phase et par pôle identiques. Figure IV.5 Enroulements triphasés avec connexion en étoile Tous les faisceaux de bobinage positionnés dans les encoches ne sont pas forcément positionnés de manière parallèle occupantes la surface totale de l’encoche. Il en résulte une légère perte de surface, estimée par un facteur appelé coefficient de remplissage qui doit être limité 0.65<SFill<0.95. = é (23) La Figure IV.6 montre le remplissage des encoches. Figure IV.6 Facteur de remplissage /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques IV.1.3 Page 24 Type d’encoches statoriques Il existe une grande variété de formes des encoches et selon la puissance des machines. Parmi les encoches les plus utilisés nous schématisons quelques formes sur le Figure IV.7. La forme des encoches jeu un rôle très important dans la définition des harmoniques d’espèce, couple reluctant, bruit et vibration [8]. Figure IV.7 Forme d’encoches statoriques IV.1.4 Dimensions principales du rotor Dans la plupart des machines asynchrones industrielles les rotors sont en cage rotorique. Les dimensions principales seront calculées après avoir dimensionné la partie du stator. Le diamètre du rotor est déterminé directement à partir du diamètre interne du stator en enlevant la longueur de l’entrefer. Le choix de nombre des barres est lié directement au nombre d’encoches statoriques afin d’éliminer certains harmoniques d’espace. La Figure IV.8 montre les formes les plus utilisé pour usiner la cage rotorique. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 25 Figure IV.8 Formes des encoches rotoriques Pour le rotor à double cage "empilée". Deux types de barres sont autorisés, et la cage peut également être remplie par des conducteurs en fonction des pourcentages de conductivité PC1, PC2 et PCN. Les dimensions des anneaux de court-circuit sont généralement applicables aux bagues d’extrémité et on peut citer les types A, B, C et le type D.La vue de l’anneau est représentée sur la Figure IV.9 avec 8 ailettes, c'est-à-dire NRFins1/2 = 8. Figure IV.9 Anneaux de court-circuit avec ailettes Les différentes formes possibles de l’anneau de court-circuit sont montrées sur la Figure IV.10 /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 26 Figure IV.10 Configurations possibles pour l'anneau de court-circuit. Les zones hachurées sont les zones de section conductrice des anneaux. IV.2 Dimensions principales des machines à courant continu La taille physique des machines à courant continu est souvent l'un des facteurs limitant la sélection du moteur, car de plus en plus d'applications ont des encombrements plus grands, comme dans les imprimantes de bureau, les dispositifs médicaux portables et les outils manuels. Souvent, un compromis doit être fait entre le moteur à utiliser et l'espace disponible dont il a besoin pour s'adapter. L'efficacité devient une préoccupation majeure lorsque vous devez vous respecter la consommation d'énergie pour maximiser la durée de vie du moteur et de son alimentation. Les spécifications clés montrent rapidement que les moteurs sans balai durent beaucoup plus longtemps que les moteurs avec balais, qui dépendent d'une connexion mécanique pour fonctionner. Et les moteurs sans balai fonctionnent aussi beaucoup plus vite. Si vous utilisez un moteur sans balais pour la fiabilité, vous ne voudrez pas ajouter un réducteur de vitesse, cependant. La nature mécanique /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 27 d'un réducteur signifie automatiquement qu'il aura un cycle de vie plus court. L'utilisation d'un réducteur avec un moteur sans balai annulera seulement la longévité du système combiné, et réduira donc la longévité de la machine dans laquelle a été conçu. D'un autre côté, il est parfois conseillé d'utiliser un réducteur sur un moteur sans balai. Par exemple, si l'environnement est tel que le bruit est une préoccupation ou qu'un couple plus élevé est nécessaire, un réducteur fera l'affaire [5]. IV.2.1 Dimensions des MCC à inducteur bobiné Plusieurs formes des moteurs à courant continu avec inducteur bobiné sont utilisées dans les applications industrielles. Figure IV.11, Figure IV.12 et Figure IV.13 illustrent les principales formes. Figure IV.11 Moteur a courant continue à champ bobiné de forme carré type 1 Figure IV.12 Moteur a courant continue à champ bobiné de forme carré type 2 /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 28 Figure IV.13 Moteur a courant continue à champ bobiné de forme circulaire IV.2.2 Dimensions des MCC à inducteur en aimants permanents Lorsqu'un aimant permanent est utilisé pour créer un champ magnétique dans un moteur à courant continu, le moteur est appelé moteur à courant continu à aimant permanent ou moteur PMDC. Ces types de moteur sont essentiellement simples dans la construction et couramment utilisés comme moteur de démarrage dans les automobiles, essuie-glaces, lave-glace, pour les ventilateurs utilisés dans les appareils de chauffage et les climatiseurs, pour lever et abaisser les fenêtres, il est également largement utilisé dans les jouets. Comme la force du champ magnétique d'un aimant permanent est fixe, elle ne peut pas être contrôlée, la commande sur site de ce type de moteur à courant continu ne peut pas être possible. Ainsi, le moteur à courant continu à aimant permanent est utilisé lorsqu'il n'est pas nécessaire de contrôler la vitesse du moteur. La Figure IV.14 illustre les formes des moteurs à courant continu à aimants permanents [5]. Figure IV.14 Formes des moteurs CC à aimants permanents /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques IV.2.3 Page 29 Bobinages d'armature (induit) Les conducteurs sont posés dans les encoches du rotor (induit). Les ampères-conducteurs sous chaque pôle d'aimant doivent tous être dans la même direction, de sorte que tous les ampèresconducteurs produisent un couple dans la même direction. Puisque les polarités des aimants alternent NSNS ..., les polarités des ampères-conducteurs doivent aussi alterner avec le même "pas" ou "longueur d'onde", Figure IV.15. Il y a deux formes principales d’enroulement possibles : l'enroulement concentrique de la Figure IV.156, et l'enroulement ondulé de la Figure IV.17. Figure IV.15 Distribution des ampères-tours Figure IV.16 Distribution des ampères-tours Figure IV.17 Distribution d’une bobine ondulée Les dimensions principales des encoches d’induit sont présentées sur la Figure IV.18 et Figure IV.189. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Figure IV.18 Dimensions de la machine Page 30 Figure IV.19 Dimensions des encoches d’induit IV.3 Machines alternatives à aimant permanent Les moteurs à courant alternatif à aimant permanent (PMAC) apparaissent comme une alternative au moteur asynchrone couramment utilisé, qui a été pendant des générations le moteur le plus favori de presque toutes les applications impliquant les conversions électromécaniques. La technologie du moteur asynchrone est simple, fiable et adaptable à une grande variété d'applications. Cependant, certaines limitations inhérentes à la conception sont surmontées avec les nouvelles technologies motrices. Les moteurs PMAC préservent la simplicité et la fiabilité du moteur asynchrone tout en offrant une efficacité supérieure, un fonctionnement synchrone et la possibilité d'utiliser une taille plus petite pour fournir le même couple utile [5, 9]. Les moteurs PMAC ont une grande variété dans l’industrie. La différence majeure est résidée dans le choix du rotor, nombre de pôles, types, emplacement et formes d’aimants permanent. Parmi les modèles les plus utilisés on peut citer les rotors : Aimant monté en surface magnétisé radialement Aimant monté en surface magnétisé parallèlement Aimant à forme de miche de pain Aimant de type de rayon Rotor extérieur à aimantation radiale, Rotor extérieur magnétisé Aimant permanent intérieur (IPM) Aimant inséré / pôle conséquent Aimant encart / réluctance hybride Aimants à anneau complet Rotors à démarrage direct avec cage Une grande variété de modèles peut être produite avec ces types de base, en ajustant les dimensions. De plus, le paramètre d’intégration des aimants décrit le nombre de types de rotor en définissant différentes formes d’aimant. Sur le stator, plusieurs types différents d’encoches de stator sont possibles, chacun pouvant varier en taille et en forme. Des exemples de tous les types de rotors /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 31 sont montrés dans les figures qui suivent. Le signal d’alimentation peut être carré ou sinusoïdal ; ou le moteur peut être alimenté à partir d'une source alternative à fréquence fixe [7, 10]. IV.3.1 Aimant monté en surface magnétisée radialement Les aimants sont montés en surface et magnétisés radialement. Deux types possibles selon l’intégration des aimants. a) Aimants non intégrés b) Aimants intégrés Figure IV.20 Rotor à aiment monter en surface magnétisée radialement IV.3.2 Aimant monté en surface magnétisé parallèlement Les aimants sont montés en surface et magnétisés parallèlement. L'arc magnétique des aimants peut s'étendre jusqu'à 180°, ce qui amène les bords de l'aimant à buter le long d’axe q. Deux types d'intégration sont possibles. a) Aimants non intégrés b) Aimants intégrés type 1 c) Aimants intégrés type 2 Figure IV.21 Rotor à aiment monter en surface magnétisée parallèlement IV.3.3 Aimants de forme Miche de pain Les aimants de type miche de pain intégrés ont les faces externes peuvent être profilées avec différents rayons d'arc circulaire. Bien que le corps du rotor ne soit pas cylindrique. Ce type de rotor peut être utilisé à grande vitesse avec une bague de retenue qui conduit à une longueur d'entrefer importante. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques a) Non intégré c) intégré type 2 Page 32 b) intégré type 1 d) intégré type 3 Figure IV.22 Rotor à aimants à miche de pain IV.3.4 Rotor à aimant de type de rayon Les aimants de ce type sont montés radialement et aimantés dans la direction circonférentielle. Deux types d’intégration sont possibles. Le noyau du rotor est supposé non magnétique. Le rotor magnétisé est représenté par des feuilles de courant recouvrant ses ouvertures. Ce type de rotor est très saillant et est sensible à une forte saturation de Xq et Xd. L'analyse par éléments finis est pratiquement essentielle pour ce type de machine. a) Aimants non intégrés b) Aimants intégrés type 1 c) Aimants intégrés type 2 Figure IV.23 Rotor à aimants de rayon IV.3.5 Rotor extérieur à aimantation radiale, Les aimants sont montés en surface sur le rotor extérieur et aimantés radialement. Ce type de rotor a des niveaux de saturation bas. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 33 Figure IV.24 Rotor extérieur à aimantation radiale IV.3.6 Rotor extérieur à aimantation parallèle, Les aimants sont montés en surface sur le rotor extérieur et aimantés parallèlement. Ce type de rotor a des niveaux de saturation bas. a) Aimants intégrés type 1 b) Aimants intégrés type 1 c) Aimants intégrés type 2 Figure IV.25 Rotor extérieur à aimantation parallèle IV.3.7 Aimant permanent intérieur (IPM) Les aimants permanents sont montées à intérieur du rotor, aimantés dans la direction radiale. Six types d’intégration sont possibles en plus du type non intégré. Ce type de rotor est très saillant et est sensible à une forte saturation de Xq et Xd. L'analyse par éléments finis est recommandée pour ce type de machine. a) Aimants non intégrés /A. BOUZIDA b) Aimants intégrés type 1 c) Aimants intégrés type 2 UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques d) Aimants intégrés type 3 e) Aimants intégrés type 4 g) Aimants intégrés type 6 Page 34 f) Aimants intégrés type 5 h) Aimants intégrés type 7 Figure IV.26 Rotor à aimants montés à l’intérieur IV.3.8 Rotor à aimants insérés a) Aimants non intégrés /A. BOUZIDA b) Aimants intégrés type 1 c) Aimants intégrés type 2 UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 35 d).Aimants intégrés type 2 Figure IV.27 Rotor à aimants insérés IV.3.9 Aimants à anneau complet Dans les rotors à aimants à anneau complet (2 pôles seulement), les aimants sont magnétisés en parallèle et seule la composante fondamentale du champ magnétique est utilisée. Figure IV.28 Rotor à aimants en anneau complet IV.3.10 Rotors à démarrage direct avec cage Les moteurs à aimants permanents avec démarrage direct possèdent un enroulement en cage dont les dimensions sont bien définies. Ces types de moteurs démarre en mode asynchrone. a) Aimants intégrés type 1 /A. BOUZIDA b) Aimants intégrés type 2 c) Aimants intégrés type 3 UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques d) Aimants intégrés type 4 e) Aimants intégrés type 5 Page 36 f) Aimants intégrés type 6 Figure IV.29 Rotor à aimants à démarrage direct Chaque type de moteur PM est utilisé pour une application bien définie selon la vitesse de rotation recommandée, niveau de bruit, lissage de couple et l’encombrement. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 37 V. Etude de machine asynchrone par CAO Nous proposons dans cette partie une étude détaillée de la machine asynchrone triphasée à rotor à cage d’écureuil par un logiciel de conception des machines le plus avancé dans le domaine des conceptions assistées par ordinateur CAO. Il s’agit du logiciel « FLUX2D » leader en simulation des phénomènes électromagnétiques par la méthode des éléments finis. C’est un logiciel de modélisation par éléments finis prenant en compte les phénomènes magnétiques et thermiques et permettant des régimes évolutifs. C’est donc un logiciel parfaitement adapté à aux besoins d’étude des machines électriques. Le logiciel permet de calculer et de visualiser les grandeurs utiles à l’ingénieur, pour des dispositifs bidimensionnels ou à symétrie de révolution comportant des matériaux à caractéristiques linéaires ou non, isotropes ou non. C’est un logiciel complet ayant l’avantage de permettre le couplage avec les équations de circuits ainsi que l’ajout d’une région surfacique particulière dite « bande de roulement » pour l’étude des machines tournantes avec différentes positions du rotor, sans avoir à modifier la géométrie et le maillage [11, 12]. La dimension principale de la machine proposée sont calculés et optimisés précédemment. La machine étudiée est une machine asynchrone triphasée à 2 pôles couplée en étoile, (Figure V.1). Cette machine est caractérisée par : - Puissance nominale, Pn = 7.5 kW ; - Tension nominale, Unf = 380 V (Phase-Neutre) ; - Fréquence nominale, fn = 50 Hz . Figure V.1 Machine asynchrone à rotor à cage La machine ayant aussi les paramètres géométraux suivants : - Nombre des encoches sataorique : 24 encoches, - Nombre de barres rotoriques : 20 barres, - Diamètre extérieur du circuit magnétique statorque : 212 mm. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques - Page 38 Diamètre intérieur du circuit magnétique statorque : 120 mm. Diamètre extérieur du circuit magnétique rotorique : 119 mm.; Epaisseur de l’entrefer : 0.5 mm. Diamètre intérieur du circuit magnétique rotorique : 40 mm. Longueur active de la machine : 125 mm. V.1 Descriptif de la machine La description complète du modèle de la machine sur le logiciel FLUX2D peut être long est difficile selon la géométrie est la description physique. Pour décrire la machine fidèlement en utilisant cet interface de simulation (Flux), nous devrons obligatoirement passer par les étapes suivantes : - Réaliser la géométrie détaillée (paramètres, systèmes de coordonnées, …) - Création des points et des lignes du stator et du rotor (encoches, entrefer, …) - Générer les surfaces - Maillage des domaines - Créer les régions et les affecter aux différentes surfaces Les différentes étapes doivent être préparées pour chaque type de moteur en vue de sa modélisation. Le modèle prédéfini sur FLUX2D de la machine asynchrone peut être utiliser pour simplifier les différentes étapes (Tableau V-1). Tableau V-1 Etapes de conception en mode standard/assistée Stage 1 2 Description “Standard” Construction de la géométrie Construction du maillage Description “Assistée” Construction assistée et automatique de la géométrie et du maillage 3 4 5 Description des propriétés physiques Processus de résolution Exploitation des résultats Identique Le modèle de la machine asynchrone est construit directement dans Flux2D en utilisant le modèle prédéfini. Le principe général de cet opération est donné dans le Tableau V-2. Tableau V-2 Données nécessaires pour réaliser un modèle de la machine asynchrone Etape 1 Données nécessaires Caractéristiques de la géométrie : - Générale, unités de mesures, formes des encoches - Nombre des encoches stator / rotor - Nombre de paires de pôles Choix de symétrie (périodicité) : Utilisation de la périodicité pour réduire le temps de calcul /A. BOUZIDA FLUX2D Création de la géométrie - Création du système de coordonnées et les transformations - Création des point, lignes, faces Regroupement des faces dans avec les régions : creation des regions: Stator, rotor, arbre, stator, magnet, air-gap, air • assigning of the regions to faces UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques 2 3 Choix de la densité de maillage et quelques paramètres d’optimisation Caractéristiques de bobinage : • Distribution des phases dans les encoches : bobinage “standard” or bobinage personnalisé Page 39 Construction du maillage : • Génération de maillage Regroupent des surfaces avec le bobinage • Création des régions correspondant aux bibines La préparation du modèle de la machine asynchrone en élément finis doit passer encore par les étapes suivantes : Description des propriétés physiques des matériaux Définition des parties mécaniques en mouvement Description du circuit électrique Résolution du modèle et exploitation des résultats V.1.1 Description de la géométrie et maillage des domaines Cette étape contient la description de la géométrie et du maillage du moteur présentée d'une manière moins détaillée. Le concepteur doit avoir une bonne compréhension de toutes les fonctionnalités du préprocesseur Flux2D. La géométrie du moteur est décrite en utilisant le modèle prédéfini de FLUX2D et les paramètres géométraux de la machine. Tableau V-3 Dimensions principales du stator Description générale Unité de mesures Densité du maillage Boite infinie Rayon intérieur 110mm Millimètre 0.5mm Entrefer 0.5mm Description de l’entrefer Rotor excentrique Entrefer rotatif Non 2 couches Rayon extérieur 140mm Périodicités Oui Les dimensions principales du rotor sont données dans le Tableau V-4 Tableau V-4 Dimensions principales du rotor Description General du rotor Rayon extérieur Nombre de pôles Rayon de l’arbre Rotor shift angle 59.5mm 2 20.0mm 0.0 Type de cage d’écureuil : Double Type de barres : type 4b Nombre de barres : 20 Les dimensions principales et la géométrie sont montrées sur la Figure V.2, Le rotor est une double cage d’écureuil usinée avec Aluminium. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 40 Figure V.2 Géométrie principale de la machine La géométrie détaillée des encoches statoriques est donnée dans le Tableau V-5 et dans la Figure V.3 Tableau V-5 Dimensions principales des encoches Description du Stator Forme des encoches : Stator HW Stator tooth width (w1s) 0.75mm 2.5mm Nombre d’encoches 24 Stator tooth height (h2s) 0.75mm Stator tooth width (w2s) 9.77mm Configuration du Stator Forme du stator Normal Cercle Stator tooth height (h3s) 14.3mm Rayon extérieur du stator 106mm Stator tooth width (w3s) 13.5mm filSO 0 Angle du Stator 0.0 Figure V.3 Dimensions des encoches, a) Encoche du stator, b) Encoche du rotor /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 41 La Figure V.4 montre la géometrie globale de la machine developpée dans le contex de FLUX2D en utilisant les données géométrales définies précedement. Figure V.4 La géométrie global de la machine réalisée sur FLUX2D Le bobinage statorique est fait en deux couches avec le cuivre, la Figure V.5 montre la distribution du bobinage sur les encoches statoriques, avec un pas de raccourcissement de 8/12 et un nombre de spire par phase w1= 208 spires en série. Tableau V-6 Configuration du bobinage statorique Description du bobinage Enroulement Nombre des Type de phases d’enroulement classique Enroulement 3 Bobine par pole classique Pas d’enroulement CPP Position des bobines dans les encoches 8 Superposés 4 Figure V.5 Distribution des enroulements /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 42 Après avoir terminé la géométrie de la machine et configurer le bobinage, nous précédons au maillage de différents domaines. Le maillage dans le logiciel FLUX2D se fait automatiquement. Figure V.6 illustre les domaines maillés avec différentes densités de maillage selon la géométrie des éléments. Figure V.6 Maillage du domaine V.1.2 Description physique de la machine Pour les conducteurs statoriques, on supposera qu'ils sont répartis de façon uniforme dans les encoches, on affectera à cette région la résistivité du cuivre pour une température donnée des enroulements, le coefficient foisonnement et le nombre de spires par phase. Au niveau du rotor, nous utiliserons la résistivité de l'aluminium à température fixe. Concernant les propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques, on prendra en compte la non-linéarité des caractéristiques B(H) (Figure V.7). Caractéristique B(H) 2,5 Induction (T) 2 1,5 1 0,5 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 Intensité du Champ (A/m) Figure V.7 Caractéristique B(H) du matériaux magnétique 700-P-6SB(H) V.1.3 Résolution du modèle Selon les résultats escomptés et le temps de simulation dont on dispose, trois modes de résolution peuvent être employés [12]: /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 43 1. La magnétostatique ne permet pas de tenir compte des variations telles qu'elles soient. Ce mode ne pourra donc être utilisé que pour simuler à un instant donné un fonctionnement essentiellement à vide (sans courants induits) de la machine car il impose de connaître les valeurs des courants dans les différentes barres du rotor (On s'en servira essentiellement pour la détermination de l'inductance magnétisante du moteur). 2. La magnétodynamique complexe, qui suppose des variables sinusoïdales, simule un régime permanent. Ce mode ne fait pas intervenir de variation de la réluctance puisque le rotor est supposé immobile. Les courants induits sont calculés ; la résistance des barres est modiée selon le glissement appliqué, ce qui permet d'obtenir des valeurs convenables du courant efficace les traversant. Sachant que l'évolution en tout point de l'espace de l'énergie en fonction du temps n'est pas sinusoïdale et que les variables de résolution ne peuvent qu'être sinusoïdales, il faut utiliser une méthode d'énergie équivalente an d'avoir des résultats corrects. Au côté attractif d'un gain de temps considérable pour les simulations, s'oppose donc la difficulté de l'exploitation des résultats. Ce mode pourra être utilisé pour étudier un schéma équivalent en se basant sur une résolution éléments finis ou bien se permettre de lancer un calcul évolutif à partir des résultats obtenus et éviter ainsi un transitoire long de simulation. 3. Le mode magnétique transitoire est le plus complet. Il traduit fidèlement la rotation du moteur et permet de retrouver les pulsations de flux. Cependant, pour la machine étudiée, le maillage conséquent d'une part, le nombre de périodes et de pas de temps (surtout aux hautes fréquences), d'autre part, augmentent les temps de calcul. Cependant, son utilisation est intéressante pour vérifier les résultats de la magnétodynamique. Pour représenter fidèlement le moteur, il faut tenir compte des effets d'extrémités (inductances, résistances de tête de bobine et d'anneau de court-circuit). Ce lien est utilisé car les simulations envisagées visent à reproduire les variations du moteur lors d'un fonctionnement en charge. Les courants induits au rotor ne pourront donc plus être négligés comme c'était le cas à vide et il est donc indispensable de modéliser les courts-circuits de la cage. De plus, cette méthode permet d'alimenter directement le moteur en tension et non pas en courant comme il faudrait le faire sans le couplage (Figure V.8). Figure V.8 Circuit électrique connecté au modèle en éléments finis V.1.4 Exploitation des résultats Les éléments des circuits électriques sont couplés avec le circuit magnétique. La magnétisation de la machine à l'état initial est faite par une résolution en magnéto-transitoire. Une fois la machine est magnétisée, nous procédons à la résolution en magnéto-transitoire. De ce fait, la vitesse de rotation est imposée au début constante égal à 0tr/mn et la simulation du courant statorique passe ainsi par un régime transitoire. Une application d’un couple résistant est réalisée à l’instant t=0,4s, la machine passe de nouveau par un régime transitoire afin de joindre le nouveau point de fonctionnement. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 44 Figure V.9 Distribution de l'induction magnétique Figure V.10 Distribution des lignes de champ La machine à l'état initial n'étant pas magnétisée mais ayant une magnétisation générée par le logiciel, la simulation passe par un régime transitoire. Nous présentons aux Figures II.11 à II.14 les différentes courbes du courant statorique, des courants rotoriques, du couple, de la vitesse. La machine démarre à vide jusqu’à t=0,4s, suivi d’une application d’un couple résistance de 20N.m. /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 45 Figure V.11 Courants statoriques durant le démarrage de la machine Figure V.12 Courants dans les barres rotoriques durant le démarrage de la machine Figure V.13 Vitesse de rotation durant le démarrage de la machine /A. BOUZIDA UMBB-FSI-2017 Conception assistée par ordinateur des machines électriques Page 46 Figure V.14 Couple électromagnétique durant le démarrage de la machine Un cas de simulation sur un logiciel avancé de calcul par éléments finis et une conception détaillée d’une machine asynchrone ont été présentées dans cette partie afin de permettre à l’étudiant de familiariser avec les outils CAO. Les principales étapes de conception ont été montrées et peuvent être appliquées pour tout type de machine Références : [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] S. 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