Dimensionnement d’un Prototype et validation expérimentale

Après avoir comparé différentes configurations rotoriques et statoriques et considérant l’ensemble des résultants des études précédentes, la combinaison 20/14 fournie avec un rotor à aimants enterrés radialement est choisie pour être fabriquée comme prototype pour le projet MHYGALE. Dans ce paragraphe, les dimensions principales du prototype sont calculées analytiquement dans le but de minimiser le volume global. Ensuite, grâce à des modèles éléments finis, la procédure de dimensionnement est finalisée puis la performance est validée. Enfin, les résultants expérimentaux du test du prototype sur une plateforme sont illustrés. Le but est de calculer les dimensions initiales d’une machine électrique à aimants en se basant sur un cahier des charges exigé. Evidemment, la précision du calcul analytique n’est pas suffisante surtout pour les applications en automobile où l’espace et l’énergie disponibles sont limités. Par conséquent, une étape suivante de calcul avec logiciel de calcul basé sur la méthode des éléments finis (FE) est indispensable pour affiner ces dimensions initiales et éviter tout surdimensionnement. Ainsi, il n’est pas nécessaire d’utiliser des modèles analytiques complexes, car le but est de réduire le temps de calcul en éléments finis en partant de dimensions initiales calculées rapidement. Les différentes étapes de pré-dimensionnement du rotor et du stator sont illustrées dans les Annexes 5.6 et 5.7. Dans ce calcul, des relations classiques sont utilisées en mettant en évidence les contraintes induites au niveau du dimensionnement par celles du projet MHYGALE. Seront déduits ainsi, en utilisant l’état de l’art en termes de pré-dimensionnement, les paramètres de base de la machine électrique.

Ce paragraphe illustre le schéma final qui montre la séquence de toutes les étapes de la conception d’une machine électrique à partir du rotor vers le stator. Dans ce schéma représenté par la Figure 4-1, tous les paramètres qui influencent les dimensions principales de la machine sont affichés. De plus, les équations qui lient entre les différents paramètres et dimensions sont aussi indiquées par leurs numéros dans les Annexes 5.6 et 5.7. Habituellement, les paramètres colorés en rouge sont choisis en fonction de ce qui est permis par les contraintes mécaniques et thermiques imposées. Les paramètres en bleu quant à eux dépendent de la technologie de fabrication et des matériaux utilisés. Cela impose certaines contraintes et limitations sur ces paramètres en bleu en fonction du coût final de fabrication. Le type de bobinage choisi pour la machine est influencé à la fois par la technologie adoptée et les différentes contraintes exigées. Enfin, les paramètres en vert peuvent être optimisés afin de réduire le volume global de la machine comme l’explique le paragraphe suivant. Néanmoins, le fait que la densité linéique de courant décide de la valeur maximale du courant par phase impose une limitation sur le processus d’optimisation liée à l’électronique de puissance associée.

Dans l’Annexe 5.8, l’expression analytique de la courbe des volumes minimaux illustrée dans la Figure 4-3, est déduite. Ensuite, pour le cahier des charges MHYGALE, on trouve les dimensions optimales qui appartiennent à cette courbe et qui font baisser le plus possible le volume sans dépasser le diamètre externe maximal imposé. En se basant sur les dimensions trouvées dans le paragraphe précédent, un modèle 2D en éléments finis est construit afin de finaliser la procédure de dimensionnement. Grâce à ce modèle, les dimensions déduites analytiquement sont affinées puis les paramètres électromagnétiques principaux sont calculés. Enfin, pour atteindre la plage désirée de fonctionnement, le circuit électrique et le nombre de spires sont déterminés. Comme la non-linéarité des tôles magnétiques est prise en compte par le modèle par éléments finis, certaines dimensions dans la machine peuvent être affinées. La hauteur de culasse (hculasse ) et la largeur de dent (wdent ) sont légèrement réduites afin d’agrandir la surface d’encoche, en assurant toujours que le fer statorique ne soit pas saturé. Cela permet d’augmenter la section de cuivre et par conséquent réduire la densité volumique de pertes Joule dans les encoches (voir l’équation (5-23)).