ENSIEG Simulation de dispositifs électromagnétiques par

ENSIEG
Simulation de dispositifs électromagnétiques par Flux2D
BE3f : Etude d'une machine asynchrone triphasée à cage
(Février 2002)
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But de l'étude
Il s'agit d'étudier l'influence des paramètres électriques et géométriques sur le
dimensionnement d'une machine asynchrone à cage. Cette étude devra aboutir à
l'optimisation de la machine ainsi qu'à la mise au point d'un schéma équivalent.
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Données
Les notations sont explicitées aux figures 1, 2 et 3 :
nombre de paires de pôles : 2
encoches stator : 24
encoches rotor : 20
rayon extérieur stator : R_stator =150
longueur du circuit magnétique : 200 mm
rayon rotor : R_rotor = 100 mm
entrefer : 1 mm
ouverture encoches rotor : Oer = 2 mm
bec d'encoches rotor : ber = 2 mm
pied de dents rotor : pde =4 mm
largeur dents rotor : ldr = 12 mm
hauteur dents rotor hdr = 25 mm
arrondi d'encoches stator : Ars = 4 mm
rayon de l'arbre : R_axe= 40 mm
bec d'encoches stator : becs = 2 mm
ouverture d'encoches stator : Oes = 8 mm
largeur dents stator : lds = 10 mm
profondeur dents stator : pds = 20 mm
résistivité du cuivre : 1.6 µΩcm
résistivité de l'aluminium : 2.7 µΩcm
Il s'agit de données initiales. Les seules grandeurs imposées sont le rayon extérieur du
stator (150 mm), la longueur du circuit magnétique (200 mm) et le rayon rotor (100 mm). On
impose ainsi les encombrements des circuits magnétiques de la machine. Tous les autres
paramètres sont variables et peuvent être ajustés.
Le circuit magnétique est défini par la perméabilité relative initiale de 7000 et son induction à
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saturation de 2T. On suppose une densité de courant de 3A/mm dans l'encoche stator.
L'alimentation de la machine est triphasée 50 Hz, 400 Volts entre phases. Les enroulements
statoriques sont couplés en étoile.
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3.1
Travail demandé
Géométrie de la machine
La description de la géométrie est nécessaire pour tous les types de calcul qui seront
effectués par FLUX2D.
Rentrer les paramètres géométriques avec leurs valeurs à l'aide du module "preflu" de
FLUX2D, rentrer en coordonnées polaires les points A, B, C … O correspondant à une
encoche stator et une encoche rotor en introduisant les paramètres angulaires Θs au stator
et Θr au rotor égaux à 0.
Ces paramètres seront ensuite incrémentés de la valeur nécessaire pour dupliquer les
points initiaux. On réalisera ainsi un quart de la machine soit un pôle, qui comporte 6
encoches au stator et 5 encoches au rotor.
Compléter la géométrie par des lignes, soit des arcs de cercles, soit plus simplement par
des segments de droites pour les encoches. Les lignes qui définissent l'entrefer seront des
arcs de cercle centrés à l’origine. Terminer le domaine par la surface extérieure du stator et
la surface intérieure du rotor.
3.2
Circuit électrique
La description du circuit électrique est indispensable pour les calculs en magnétodynamique.
Au moyen du module "cirflu", on représentera le circuit électrique statorique à 2 encoches
par pôle et par phase et son alimentation que l'on supposera en étoile. On introduira
l'inductance de fuite de têtes de bobines que l'on estimera initialement à 0.02 mH et sera
fonction du carré du nombre de spires. Chaque encoche comporte 20 conducteurs, ce
nombre sera ajusté en cours de calcul.
Le circuit rotorique sera également représenté en tenant compte des conducteurs massifs et
sachant qu'on représente un pôle seulement de la machine.
On créera 2 fichiers « circuit ». L’un représentera la machine et son alimentation, l’autre
représentera uniquement la cage d’écureuil rotorique.
3.3
Calculs à effectuer
On supposera la machine non saturée dans un premier temps. Effectuer un premier calcul
magnétostatique en simulant un fonctionnement à vide. A partir de la répartition du flux
obtenue, on modifiera les données géométriques initiales pour que l'induction soit répartie
de manière optimale pour l'obtention d'un couple maximal.
Après avoir obtenu la géométrie optimale, on calculera au moyen du module
magnétodynamique le couple de démarrage et le couple pour un glissement de 2%. On
tiendra compte de la caractéristique magnétique des tôles.
Comment ce couple varie en fonction du nombre de conducteurs par encoche ?
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Pour quelle valeur obtient-on une densité de courant de 3 A/mm dans l'encoche, sachant
que le coefficient de foisonnement est de 0.5, ainsi qu'un niveau de saturation acceptable ?
La tension d'alimentation est toujours 400V triphasée, 50Hz.
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3.4
Etablissement du schéma équivalent
On désire établir le schéma équivalent par phase de cette machine. En vous inspirant des
essais effectués en laboratoire, quels calculs sous FLUX2D faut-il faire pour obtenir ce
schéma équivalent ?
Effectuer ces calculs et fournir le schéma équivalent obtenu.
Effectuer ces mêmes calculs avec une alimentation triphasée 400V/400Hz. Comment le
schéma équivalent obtenu se compare-t-il au précédent ? Expliquer les différences
éventuelles. Sous quelle tension faudrait-il alimenter le stator pour avoir le même état de
saturation que précédemment à 50Hz ?
Au cours de cette optimisation, pensez vous que la solution obtenue est unique ?
Comment faudrait-il procéder pour obtenir la solution recherchée ?
3.5
Régime transitoire
On simulera en pas à pas dans le temps le démarrage du moteur alimenté par le réseau 50
Hz/ 400 V. Le calcul se limitera à 2 périodes pour des raisons de temps de calcul.
4. Etude paramétrique.
Le calcul par éléments finis permet la maîtrise de l’ensemble des phénomènes à l’intérieur
de la machine. A partir des résultats obtenus, quels sont les paramètres géométriques les
plus significatifs.
Vérifier en modifiant certains de ces paramètres leur influence sur les caractéristiques
électromécaniques de la machine : couple, courant …
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