Commutator machines applied to electrical powertrain : modeling and optimization
Machines à commutateur mécanique pour traction automobile : modélisation et optimisation
Résumé
The research work carried out in this thesis is part of a context of vehicle electrification in response to environmental concerns. This thesis focuses on the modeling and optimization of commutator machines used in powertrains of small electric vehicles. This kind of machines represents an alternate solution due to their competitiveness, robustness and reliability mainly due to the absence of power electronics. Nevertheless, they require compensation windings and commutation poles to improve their performances. Commutator power supply makes it necessary to take into account electrical dynamics in numerical magnetic modeling by finite elements. That is why, it is crucial to develop a model allowing a strong coupling in the sense of the variational formulation, of magnetic problem, external electrical circuit and finally current flow problem at the commutator interface. In this context, the use of a modeling opensource platform ONELAB has led to the development of an original model that performs projection of physical properties and sources on a fixed mesh. This method avoids remeshing during iterative processes such as geometric optimization or movement modeling. This method has led to the dynamic coupling of the magnetic problem and the external electrical circuit to the current flow formulation at the commutator interface as well as to prospects for multi-physical simulations at this interface. Finally, the choice of an optimization algorithm adapted to the numerical models (black box with a high evaluation cost) allowed the development of a tool for the design of commutator machines adapted to many topologies in order to fulfill industrial requirements.
Les travaux de recherches menés dans cette thèse s'inscrivent dans un contexte d'électrification du secteur automobile en réponse aux préoccupations environnementales. Cette thèse concerne la modélisation et l'optimisation de machines à commutateur mécanique pour la motorisation électrique de petits véhicules mono- ou bi- place. Les machines à collecteur représentent une alternative crédible par leur compétitivité, leur robustesse et leur fiabilité principalement dues à l'absence d'électronique de puissance. Néanmoins, elles nécessitent des dispositifs de compensation et d'aide à la commutation dont l'absence peuvent dégrader leurs performances. L'alimentation par commutateur mécanique rend nécessaire la prise en compte de la dynamique électrique dans la modélisation numérique par éléments finis. C'est pourquoi, il est crucial de développer un modèle permettant un couplage fort au sens de la formulation variationnelle du problème magnétique, du circuit électrique externe et enfin du problème électrocinétique de circulation des courants à l'interface du commutateur. Dans ce contexte, l'utilisation d'une plateforme de modélisation ouverte ONELAB a abouti au développement d'un modèle original de projection des propriétés physiques et des sources sur un maillage fixe. Cette méthode permet de s'affranchir du remaillage lors de processus itératifs tels que l'optimisation géométrique ou encore la prise en compte du mouvement. Cette méthode a abouti au couplage dynamique du problème magnétique et du circuit électrique externe à la formulation électrocinétique de l'ensemble balais-collecteur ainsi qu'à des perspectives de simulations multi-physiques à cette interface. Enfin, le choix d'un algorithme d'optimisation adapté aux modèles numériques (boîte noire à fort coût d'évaluation) a permis de développer un outil de dimensionnement des machines à commutateur mécanique adapté à une grande variété de structures en réponse à un cahier des charges industriel.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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