Design and realization of a low speed Magnetically Geared Induction machine
Étude et réalisation d’une machine asynchrone basse vitesse à réducteur magnétique intégré
Résumé
We propose in this work to study a wound rotor induction motor integrating a magnetic gear which constitutes the MaGIM " Magnetically Geared Induction Machines ". The aim is to improve the reliability and the performances of the classical system associating an induction machine (MAS) with a mechanical reducer (mill, crusher...), the machine being fed directly by the network. Therefore, we designed a MaGIM prototype of 1 kW - 45 rpm operating on the grid at 400 V/50 Hz using analytical and numerical calculation tools to predict the electromagnetic performances of the device. In the first chapter, we present a state of the art of the different magnetic gears studied from the 20th century to the present day. The different structures and topologies studied are listed. Given its complexity, we have modelled the induction machine and the magnetic gear separately, in chapter II. A theoretical model of the machine taking into account the electromagnetic and thermal aspects has been developed in order to obtain an acceptable design according to precise specifications. We have presented the electromagnetic performance of the system obtained as well as the thermal calculations carried out using a nodal method. The transient operation of the machine by establishing an analytical model including the mechanical equations of the induction machine and the magnetic gear was presented in chapter III. This model allowed us to determine the performance of the MaGIM during a direct start on the network. We have seen that the MaGIM can start on the mains under full voltage and that this starting is strongly dependent on the moment of inertia Jl. This study allowed us to highlight the stall phenomenon of the MaGIM and the particularity of magnetic gears to protect themselves against overloads. In the last chapter, we presented the realization of the 1 kW prototype, operating on the 400 V/ 50 Hz network and delivering 210 Nm output at about 50 rpm. The prototype was produced in the mechanical workshop of VEDECOM - Mobilab. Experimental tests were carried out at the end of the realization in order to compare them with the theoretical results and also to validate the concept of the MaGIM.
Nous nous proposons dans ce travail d’étudier un entrainement par moteur à induction à rotor bobiné intégrant un réducteur de vitesse magnétique qui constitue la MaGIM « Magnetically Geared Induction Machines ». L’objectif est d’améliorer la fiabilité et les performances du système classique associant une machine asynchrone (MAS) à un réducteur mécanique (broyeur, concasseur…), la machine étant alimentée directement par le réseau. Nous dimensionnons un prototype MaGIM de 1 kW - 45 tr/min fonctionnant sur le réseau à 400 V/50 Hz en utilisant des outils de calculs analytiques et numériques permettant de prédire les performances électromagnétiques du dispositif. Nous présentons dans le premier chapitre un état de l’art des différents engrenages magnétiques étudiés depuis le 20ème siècle jusqu'à nos jours. Les différentes structures et topologies étudiées sont recensées. Compte tenu de sa complexité, nous avons modéliser la machine asynchrone et le réducteur de vitesse magnétique séparément, dans le chapitre II. Un modèle théorique de la machine prenant en compte les aspects électromagnétiques et thermiques a été développé pour obtenir un dimensionnement acceptable suivant un cahier des charges précis. Nous avons présenté les performances électromagnétiques du système obtenu ainsi que les calculs thermiques effectués par une méthode nodale. Le fonctionnement en régime transitoire de la machine par l’établissement d’un modèle analytique regroupant les équations mécaniques de la machine asynchrone et de l’engrenage magnétique a été présenté au chapitre III. Ce modèle nous a permis de déterminer les performances de la MaGIM lors d’un démarrage direct sur le réseau. Nous avons pu constater que la MaGIM peut démarrer sur le réseau sous pleine tension et que ce démarrage est fortement dépendant du moment d’inertie Jl. Cette étude nous a permis de mettre en évidence le phénomène de décrochage de la MaGIM et la particularité des engrenages magnétique à se protéger contre les surcharges. Dans le dernier chapitre, nous avons présenté la réalisation du prototype 1 kW, fonctionnant sur le réseau 400 V/ 50 Hz et délivrant 210 Nm en sortie à environ 50 tr/min. Le prototype a été réalisé dans l’atelier mécanique de VEDECOM - Mobilab. Des essais expérimentaux ont été effectués à l’issue de la réalisation dans le but de les comparer aux résultats théoriques et aussi de valider le concept de la MaGIM.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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