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Soutenance de BOULOUKZA Ibtissam

République Algérienne Démocratique Et Populaire

Ministère De L’enseignement Supérieur Et De La Recherche Scientifique

Université 20 août 1955- Skikda

Faculté De Technologie

Département de Génie Electrique 

Thèse présentée par BOULOUKZA Ibtissamen vue de l’obtention du diplôme de Doctorat en Machines électriques

Thème: Contribution à l’étude des machines synchrones à aimants permanents en structure de Halbach

Soutenue publiquement le   **/**/****

Devant le jury composé de :

Président

M. LALALOU Rachid      

MCA

Université de Skikda

Rapporteur

M. MORDJAOUI Mourad

Pr

Université de Skikda

Examinateur

M. BAYADI Abdelhafid

Pr

Université de Sétif

Examinateur

M. DIB Djalel

Pr

Université de Tebessa

الملخص

في الآونة الأخيرة ، العديد من أجهزة الطاقة العالية والأجهزة الكهربائية تستخدم مغناطيس دائم مع اتجاهات مختلفة لتغلغل التدفق. بالنسبة لتصميم وأبعاد هذه الأنظمة الكهروميكانيكية ، من الضروري معرفة توزيع المجال المغناطيسي في كل جزء من النظام المغناطيسي وخاصة الفجوة التي يحدث فيها تحويل الطاقة. تم تقديم نموذجين لكل من هيكل المغناطيس التقليدي الشعاعي وهيكل هالباش. يعتمد حساب النموذج التحليلي لتوزيع المجال المغناطيسي للدوار الداخلي الحديدي للمحرك المتزامن بمغناطيس دائم المثبت على السطح على تقييم ماكسويل ومعادلاته التفاضلية الجزئية المكملة بقانون مادة التفريغ ، ويستند حساب النموذج العددي إلى طريقة العناصر المحددة بالنظر إلى تأثير فتحات الجزء الثابت. يتم تقديم تحريض المجال المغناطيسي في الفجوة الهوائية والمغناطيسية والتعبير التحليلي لقوة الإرجاع الكهربائية. ووفقاً للحسابات التحليلية والرقابية والتحليل التوافقي ، فإن ماكينة المغناطيس الدائم المتزامنة ببنية هالباش توفر عزم دوران أعلى وأداء أفضل من المغنطة الشعاعية التقليدية.

لإكمال العمل، يقترح التصميم الأمثل لجهاز متزامن بمغناطيس دائم على أساس تحليل تدفق المغناطيسي  للمغناطيس المثبت على السطح للحصول على  الحد الأدنى من الوزن والكفاءة القصوى والعزم العالي. أولاً ، يتم تقديم نموذج المحرك المبسط من أجل توفير حل تحليلي لمعلمات المحرك المثلى بدلالة الكتلة. ثانياً ، يتم استخدام طريقة مونت كارلو لحساب الأبعاد الحركية المثلى لقيم معلمات المواد المحددة وتمت مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها مع العلاقات المثلى المستمدة من التحليل. ووفقا للنتائج، تم تحقيق الهدف الرئيسي من هذا العمل، وقد تم تخفيض الوزن بنسبة  24٪، وتحسن الكفاءة بنسبة 8 ٪ ورفع عزم الدوران الاسمي بنسبة40 ٪. ويتميز نهج التصميم المقترح أيضًا بميزة تقليل دورة التصميم بشكل ملحوظ.

نتيجة للبحث السابق، تم اقتراح دراسة تصميم جديد لمحرك بمغنطيس دائم ثلاثي المراحل. تحتوي آلة التدفق الشعاعي على مغناطيس ب12 قطب و عضو دوار داخلي و الجزء الثابت المثبت على السطح يحتوي على 36 ملفًا حول النوى. في البداية ، تم إجراء دراسة مغنطيسية ، ثم تم إجراء تحليل لعنصر محدود عابر ثنائي الأبعاد للتحقق من تصميم المفهوم الجديد. بعد ذلك، تم إجراء تحليل متناسق لرؤية التأثير التوافقي على أداء التصميم وتحقيق نموذج أولي جيد. إن الماكينة المصممة الجديدة جذابة لأنها تعطي بنية حقل متماثلة في التشغيل وخصائص عزم الدوران الكهرومغناطيسي وشكل الموجة الحالي جيدان للفتحات المغناطيسية المختلفة.

الكلمات المفتاحية: آلة المغناطيس الدائم ، المعادلات التفاضلية الجزئية ، الدوار الداخلي ، المجالات التحليلية المغناطيسية ، تحليل طريقة العناصر المنتهية ، هيكل هالباش ، المغنطة الشعاعية ، القوة الدافعة الكهربائية ، العزم الكهرومغناطيسي ، الكثافة المغناطيسية ، التصميم الكهرومغناطيسي ، التحسين ، طريقة مونت كارلو ، التحليل التوافقي.

ABSTRACT

Recently, several high-energy machines and electrical devices have started using permanent magnets with different directions of flux penetration. For the design and dimensioning of these electromechanical systems, it is necessary to know the distribution of the magnetic field in each part of the magnetic system and in particular to the air gap in which the energy conversion takes place. Two models are presented for both the traditional radial magnet structure and the Halbach structure. The calculation of the analytical model of the magnetic field distribution of the iron core internal rotor of the surface-mounted permanent magnet synchronous motor is based on Maxwell's evaluation and partial differential equations supplemented by material's law, and the calculation of the numerical model is based on the finite element method considering the effect of the stator slots. Both field and magnetic induction in the air gap and the magnet and the analytical expression of the back E.m.f are presented. According to analytical and numerical calculations, and harmonic analysis, the PMSM magnetized by the Halbach structure provides a higher torque and a better performance than the conventional radial magnetization.

To complete the work, an optimized design of PMSM based on the analysis of flux permanent magnet motor with minimum weight, maximum efficiency and an increased torque is proposed. Firstly, the simplified motor model is presented in a manner that yields symbolic solutions for optimal motor parameters as a function of mass. Secondly, the Monte-Carlo method is used to calculate the optimal motor dimensions for given material parameter values and the results obtained were compared with optimal relationships derived from the analysis. According to the obtained results, the essential purpose of the work has been reached, the weight has been reduced by 24 %, the efficiency was improved by 8 % and the rated torque by 40 %. The proposed design approach has also the advantage of its significant time reduction of the design cycle.

As a result of precedents research a new design study for a three-phase permanent magnet motor is proposed. The radial flux machine has 12 pole type magnets in its rotor internally and a surface mounted stator has 36 coils surrounding the cores. Initially, a magnetostatic study has been performed, and then a 2D transient finite element analysis has been realized in order to verify the new design concept. Then, a harmonic analysis is performed to see the harmonic impact on the design performance and achieving a good prototype. The new designed machine is promising since it gives symmetrical field structure under operation and the electromagnetic torque and current waveform characteristics are good for different magnet openings.

Key words: Permanent Magnet Machine, Partial Differential Equations, Internal Rotor, Analytical Magnetic Fields, 2D FEM Analysis, Halbach Magnetization; Radial Magnetization, Back-EMF, Electromagnetic Torque, Magnetic Induction, Magnetic Flux Density, Electromagnetic Design, Optimization, Monte-Carlo Method, Harmonic Analysis

Résumé

Récemment, plusieurs machines et dispositifs électriques de haute énergie utilisent des aimants permanents avec différentes directions de pénétration du flux. Pour la conception et le dimensionnement de ces systèmes électromécaniques, il faut connaître la répartition du champ magnétique dans chaque partie du système magnétique et en particulier au niveau de l'entrefer où s'effectue la conversion d'énergie. Deux modèles sont présentés à la fois pour la structure traditionnelle des aimants radiaux et la structure de Halbach. Le calcul du modèle analytique de la distribution du champ magnétique du rotor interne à noyau de fer du moteur synchrone à aimant permanent monté sur la surface du rotor est basé sur l'évaluation et les équations aux dérivées partielles de Maxwell complétées par la loi du matériau à vide, et le calcul du modèle numérique est basé sur la MEF en considérant l'effet des encoches du stator. L'induction du champ magnétique dans l'entrefer et l'aimant, et l'expression analytique du F.c.e.m de retour sont présentés. Selon les calculs analytiques et numériques, et l'analyse harmonique, le MSAP aimanté par la structure de Halbach fournit un couple plus élevé et une meilleure performance que l’aimantation radiale classique.

Pour effectuer le travail, une conception optimisée de MSAP basée sur l'analyse du flux du moteur à aimant permanent monté sur la surface est proposée pour avoir un poids minimum, un rendement maximal et un couple élevé. Tout d'abord, le modèle de moteur simplifié est présenté de manière à fournir une solution analytique pour des paramètres optimaux du moteur en fonction de la masse. Deuxièmement, la méthode de Monte-Carlo est utilisée pour calculer les dimensions optimales du moteur pour des valeurs de paramètres matériels donnés et les résultats obtenus ont été comparés aux relations optimales dérivées de l'analyse. Selon les résultats obtenus, le but essentiel du travail a été atteint, le poids a été réduit de 24 %, le rendement a été amélioré de 8 % et le couple nominal a été élevé de 40 %. L'approche de conception proposée présente, également, l'avantage de réduire considérablement le cycle de conception.

À la suite des recherches précédentes, une nouvelle étude de conception pour un moteur à aimant permanent triphasé est proposée. La machine à flux radial et rotor interne comporte des aimants à 12 pôles et un stator monté en surface comporte 36 bobines entourant le noyau. Initialement, une étude magnétostatique a été réalisée, puis une analyse par la MEF transitoires 2D a été exécutée pour vérifier la conception du nouveau concept. Ensuite, une analyse harmonique est effectuée pour voir l'impact des harmoniques sur la performance de la conception et la réalisation d'un bon prototype. La nouvelle machine conçue est attrayante, car elle donne une structure de champ symétrique en fonctionnement et les caractéristiques de couples électromagnétiques et la forme d'onde de courant sont bonnes pour différentes ouvertures d'aimants.

Mots clés: Machine A Aimants Permanents, Equations Différentielles Partielles, Rotor Interne, Champs Magnétiques Analytiques, Analyse Par la MEF 2D, Structure Halbach, Aimantation Radiale, F.C.E.M, Couple Electromagnétique, Induction Magnétique, Densité De Flux Magnétique, Conception Electromagnétique, Optimisation, Méthode De Monte-Carlo, Analyse Harmonique.

 

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