P13A08 Modélisation et simulation d’un moteur roue¶

Polytech' Clermont-Ferrand
Génie Electrique
Projet 2013 GE5A
Sujet: P13A08

Entreprise / Client :
Département Génie Physique de Polytech' Clermont-Ferrand représenté par M. Lionel BATIER

Responsable Projet : M. Rafik SMAALI
Tuteur industriel : M. Pascal FICKINGER
Tuteur technique : M. Christophe PASQUIER

Equipe de projet :
GE2: Jaouad FARIS / Mohamed OUAMEUR / Thomas ROUSSEAU.
GE3: Jaouad FARIS / Mohamed OUAMEUR.

---

Plan¶

---

1. Résumé
2. Abstract
3. Introduction
4. Présentation du Sujet
5. Cahier des Charges
6. Développement

1. Problématiques
2. Faisabilité
3. Etude Théorique
4. Démarches
5. Solutions

7. Travail complémentaire

1. Etude thermique
2. Etude d'une proposition

8. Gestion de Projet

1. W.B.S.
2. Gantt

9. Notes d'application

1. sujet 1
2. sujet 2

10. Bilan

1. Etat d'avancement
2. Analyse Critique
3. Perspectives

11. Bibliographie

---

Résumé¶

---

Ce projet intitulé "Modélisation, simulation et optimisation d’un moteur roue" a pour objectif de créer et valider un modèle du moteur roue. Ce moteur a pour mission de faire avancer la voiture solaire Bélénos développée par le département Génie Physique de Polytech Clermont-Ferrand.¶

Le projet proposé par le département Génie physique vise à contribuer au succès de la construction de la voiture Bélénos en montrant les performances du moteur roue en simulation.¶

Proposé en 2012/2013, le projet n’a pas abouti au résultat attendu par faute de temps, puisque le moteur a été modélisé uniquement en 2D.¶

L'objectif de cette année est de créer un nouveau modèle en 3D et optimiser le dimensionnement de la machine afin d’obtenir un rendement optimale.¶

MOTS CLES: Energie renouvelable, Champ magnétique, Machine sans balais, Modélisation, Simulation, Force de Laplace, Puissance, Couple.¶

Haut de page

---

Résumé¶

---

This project entitled “Modelling, simulation and optimization of a motor-wheel” aims to create and to validate a model of the motor-wheel. This engine has for mission to make the solar car Bélénos move; it is developed by the department of Engineering Physics of Polytech Clermont-Ferrand.¶

The project proposed by the department of Engineering Physics aims to contribute to the success of the construction of the car Bélénos by showing the performances of the motor-wheel in simulation.¶

Proposed in 2012/2013, the project had not the result waited by, for lack of time, because the engine was only modelled in 2D.¶

The objective of this year is to create a new model in 3D and to optimize the sizing of the engine to obtain an optimal efficiency.¶

KEYWORDS: Renewable Energy, Magnetic field, Brushless machine, Modeling, Simulation, Laplace Force, Power, Torque.¶

Haut de page

---

Introduction¶

---

Dans le cadre d’un enjeu environnemental grandissant, notre client, le département Génie Physique a développé une voiture solaire « Bélénos ». En utilisant les énergies renouvelables, ce système d'innovation est un produit répondant strictement aux besoins de se développer de manière propre et durable. Afin de résoudre une partie des problèmes de pollution et de crise énergétique, ce projet propose une solution dans les domaines de l'électrotechnique, l'électromagnétique, l'électronique de puissance etc.¶

Figure 01: Voiture Bélénos développée par le Génie Physique de Polytech Clermont-Ferrand¶

Haut de page

---

Présentation du Sujet¶

---

Le projet intitulé modélisation, simulation et optimisation d’un moteur roue a pour objectif de créer et valider un modèle du moteur roue. Ce moteur a pour mission de faire avancer la voiture solaire Bélénos développée par le département Génie Physique de Polytech’ Clermont-Ferrand en transformant l’énergie électrique en énergie mécanique. Afin d’améliorer les performances du moteur, les modifications des paramètres de construction seront faites après la simulation à l’aide du logiciel COMSOL MULTIPHYSICS basé sur la méthode des éléments finis.

Haut de page

---

Cahier des Charges¶

---

Etude Théorique¶

Pour leur voiture « Bélénos », le département du génie Physique a besoin d’un moteur roue « brushless » (absence de balais) à flux axial [Voir figure 02 et 03] avec rotor disque et la génération du champ magnétique axial pour maximiser le rendement.
(L'absence de balais et de collecteur se traduit par une durée de vie plus longue qui rend une meilleure fiabilité de dispositif).

Figure 02: Flux axial et flux radial¶

Figure 03: Coupe de modèle 3D mécanique du moteur roue¶

2-Caractéristiques Électriques du moteur¶

Pour pouvoir simuler et tester les différents paramètres du moteur il est demandé de respecter les caractéristiques électriques suivantes:¶

- Couple 0< C <90 N.m
- Vitesse de rotation 0 < n < 1061 tr/min
- Tension d'alimentation 99 < U < 155 V
- Courant nominal 12 < I < 30 A¶

Toutes ces caractéristiques correspondent aux valeurs que le moteur ne doit pas dépasser lorsque la voiture franchit une pente de 15%. C'est à partir de ces valeurs maximales d’utilisation du moteur que nous réaliserons nos simulations

3-Caractéristiques Mécaniques du moteur¶

Pour modéliser le moteur il faudra respecter ses caractéristiques géométriques et ses caractéristiques mécaniques.

Figure 04: Forme trapézoïdale des aimants¶

Figure 05 : Positionnement des rayons¶

4-Objectif¶

Le projet a pour but de trouver le meilleur rendement possible avec ce type de moteur. En effet un laboratoire Australien à réussi à obtenir un rendement de 98% sur un moteur de même géométrie. Il est demandé de se rapprocher de ce rendement.
Pour ce faire, il est possible de modifier 2 paramètres sur la géométrie du moteur:¶

- L'entre Rotor (en bleue)
- L'épaisseur de l'acier (en rouge)¶

Haut de page

---

Développement¶

---

Problématique¶

En raison des enjeux environnementaux actuels concernant les problèmes de pollution, la nécessité d’utiliser des énergies renouvelables, et la nécessité de faire des économies d’énergie avec des appareils à haut rendement , le département du Génie Physique a développé une voiture solaire baptisée « Bélénos » et ils veulent augmenter le rendement du moteur roue utilisé.
En utilisant les énergies renouvelables, ce système d'innovation est le produit répondant strictement aux besoins de se développer de manière propre et durable. Ce projet concerne une solution qui appliquent les technologies dans les domaines de l'électrotechnique, l'électromagnétique, l'électronique de puissance, etc.¶

Le travail à effectuer, est une optimisation du moteur roue. Par des moyens logiciels, cette étude agit directement sur les dimensions et les caractéristiques physiques de cette machine électrique.¶

Grâce au panneau solaire et au moteur roue, l'énergie solaire est transformée en énergie électrique puis en énergie mécanique qui se traduit par un mouvement linéaire.¶

---

Faisabilité¶

Dans des situations complexes comme celle-ci, les performances en simulation sont calculées en résolvant les équations de la magnétostatique à l’aide de méthodes numériques telles les différences finies ou les éléments finis.¶

La méthode des éléments finis est utilisée pour résoudre des problèmes de physiques en résolvant numériquement des équations aux dérivées partielles (EDP). Ces équations peuvent donc représenter le comportement dynamique de certains systèmes physiques même très complexes qui sont continus et décrit par une équation aux dérivées partielles linéaire. Cette méthode permet donc de résoudre de manière discrète une EDP avec une solution approchée suffisamment fiable en mettant en place un algorithme mathématique. C’est cet algorithme qui recherche une solution approchée d’une EDP sur un domaine compact avec conditions aux bords (conditions limites) et/ou à l’intérieur du compact. Ces conditions aux bords permettant d'assurer existence et unicité d'une solution.¶

Figure 06. La méthode des éléments finis¶

L’utilisation de cette méthode implique de choisir un maillage de la structure étudiée. Il s’agit d’un découpage de l’espace selon un maillage. D’après le contexte, plusieurs formes d’un maillage sont possibles, telles que maillage carré ou triangulaire. Et il est à noter que quelle que soit la forme du maillage, plus ce maillage est resserré, plus la solution que l’on obtient sera précise et proche du résultat réel. Enfin, le calcul numérique devient plus complexe quand on resserre le maillage.¶

Figure 07. L’illustration d’un maillage¶

---

Etude Théorique¶

---

Pour le calcul de rendement les principales équations utilisées sont :¶

La puissance absorbée :¶

Dans cette phase, puisque on fixe notre étude dans le régime statique, on calcule le rendement avec le rapport de la puissance électromagnétique, sur la puissance absorbée, cette dernière est fixée, pour un courant fixé à 12A pour le régime nominal, et 30A pour avoir une idée sur les valeurs maximales, et une tension à 155V. Et si on prend en considération le coefficient de convertisseur statique (l’onduleur) qui adapte l’alimentation du moteur, on peut écrire la puissance absorbée par le moteur :¶

Pa = Ubatt*Ibatt* rend_onduleur¶

La puissance électromagnétique :¶

La puissance utile qui fait fonctionner le moteur s’exprime en fonction du couple électromagnétique et la vitesse de rotation. Elle est fixée pour une fréquence de fonctionnement normale. Pour toute l’étude statique faite, la fréquence choisie est 500Hz.
Pour calculer le couple électromagnétique, la méthodologie consiste à calculer le couple à partir de la force électromagnétique (ou la force de Lorenz ou la force mécanique), ou bien à partir de l’induction de l’entrefer.
L’expression de cette puissance est donc :¶

Pem=Cem*vitesse_angulaire¶

Le couple électromagnétique :¶

Comme toute machine électromagnétique, on note que le moteur roue est réversible, si on alimente le stator d'une dynamo excitée par une source séparée, Chaque brin actif placé dans un champ et parcouru par un courant va donc être soumis à une force électromagnétique dont le sens est donné par la règle des 3 doigts de la main droite. Les composantes tangentielles de toutes ces forces produisent un couple qui détermine la rotation du moteur. Cette machine qui reçoit de l'énergie électrique et produit de l'énergie mécanique est un moteur de puissance électromagnétique Pem.
Pour calculer ce couple, il suffit de connaitre la force électromagnétique exercée dans chaque point de brin multipliée par la distance entre ce point et l’axe du moteur roue.¶

Figure 08. La représentation des forces électromagnétiques¶

Avec :¶

¶

La force électromagnétique :¶

La force de Lorentz, ou force électromagnétique, est la force que va subir un point des fils de bobinage dans un champ électromagnétique.
C'est la principale manifestation de l'interaction électromagnétique. La force de Lorentz, appliquée dans diverses situations, induit l'ensemble des interactions électriques et magnétiques observées sur le moteur. Le sens de cette force est déterminé par la règle des 3 doigts de la main droite.¶

Figure 09. La règle des 3 doigts de la main droite liant force, champ et courant¶

Le champ électromagnétique exerce la force suivante sur des points des fils de bobinage¶

E et B sont respectivement le champ électrique et le champ magnétique pris au point. On peut distinguer deux contributions à cette force :
F_elec=qE : qui est la force électrique ;
F_mag=qv ⋀ B : qui est la force magnétique.¶

En regardant cette force dans un repère orthonormé, on peut analyser le sens de F comme ci-dessous :¶

p=.

Figure 10. Représentation des forces électromagnétiques¶