2_ Sujet_these_IREENA_2015_MEZ_NBr_LMo

Sujet 2 : Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone
à aimants permanents à faible vitesse de rotation.
Directeur de
thèse
Co-encadrant
Co-encadrant
Financement
envisagé
Nom
Mohamed El-Hadi Zaïm
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Unité de recherche
(avec sa labellisation)
Unité de rattachement
(Université, Ecole…)
Nombre de thèses en cours
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Unité de recherche
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Unité de rattachement
(Université, Ecole…)
Nombre de thèses en cours
IREENA EA 4642
IREENA EA 4642
Polytech Nantes
2
Nicolas Bracikowski
IREENA EA 4642
IUT Saint-Nazaire
1
Luc Moreau
Polytech Nantes
2
Résumé du sujet de la thèse (3 à 5 lignes)
Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone
à aimants permanents à faible vitesse de rotation
Résumé
L’étude concerne le développement, la modélisation et l’optimisation de génératrices lentes à
attaque directe. On s’intéresse aux machines à rotor passif et plus particulièrement à la
machine DSPM (Doubly Salient Permanent Magnet). Il s’agit d’optimiser leurs géométries et
leurs fréquences de conversion en tenant compte de la source primaire et de leurs
alimentations.
Descriptif du sujet de thèse (2 pages au maximum)
Sujet :
Dans les applications liées aux systèmes d’énergies marines (e.g. éolienne offshore et hydrolienne), la
minimisation de la maintenance est primordiale du fait de leur difficulté d’accès. Afin de s’affranchir de la
maintenance du multiplicateur mécanique de vitesse, l’utilisation de génératrices à attaque directe semble
avantageuse. Les machines à aimants permanents sont particulièrement intéressantes pour ces applications à
basse vitesse et plusieurs structures de génératrices sont proposées dans la littérature [1-6].
Fig.1 DSPM (Doubly Salient Permanent Magnet).
Des structures à rotor robuste peuvent être envisagées. Nous nous intéressons à des machines à réluctance
variable possédant un rotor passif et un stator à plots comportant des aimants (Fig.1). Le bobinage global de
ces machines est ainsi facile à réaliser, à refroidir et à surveiller.
Problématique :
Le travail à réaliser concerne l’optimisation sur cycle de l’énergie massique d’une génératrice hydrolienne.
Lors de cette étude, différentes structures à rotor passif seront étudiées. Ces dernières peuvent avoir des
géométries complexes avec de fortes saturations. La modélisation devra tenir compte des effets physiques
(électromagnétisme, thermique), de l’électronique de puissance ainsi que des effets environnementaux
(houle, sillage hydrodynamique, etc.) (Fig.2). La modélisation électromagnétique hybride, modèle réluctant
couplé à un modèle éléments finis, doit permettre de réduire significativement le temps d’évaluation des
structures spéciales retenues, en particulier en régime fortement saturé, ce qui permet d’envisager une
optimisation sur cycle de l’ensemble « convertisseur-machine ». L’instrumentation du nouveau banc d’essai
du laboratoire permettra la validation expérimentale de la modélisation de la machine dite
« DSPM » (Doubly Salient Permanent Magnet) (Fig.3).
Current speed as a function of tidal hours for March 2007
Current speed (m/sec)
Spring Tides
Neap Tides
Time (hours)
Fig 2 Cycle des courants marins.
Fig 3 Prototype DSPM.
Plan de travail
- Réaliser une étude comparative de plusieurs structures de génératrices lentes à rotor passif.
- Développement d’une modélisation hybride des phénomènes électromagnétiques des structures retenues,
couplant modèle éléments finis et modèle réluctant (Fig.4.) [7-9]. On s’intéressera en particulier au
compromis entre le temps de calcul et la précision.
- Optimisation du couple massique des structures retenues en couplant le modèle magnétique hybride à un
algorithme d’optimisation.
- Optimisation sur cycle de l’énergie massique, en tenant compte des perturbations de l’énergie primaire
ainsi que des interfaces d’électronique de puissance.
- Instrumentation du nouveau banc d’essai du laboratoire et validation expérimentale.
Fig.4. Modèle hybride [10].
Références :
[1] Saou, R., Zaïm, M. E., Et Alitouche, K., Optimal designs and comparison of the doubly salient permanent magnet
machine and flux-reversal machine in low-speed applications. Electric Power Components and Systems, 2008, vol.
36, no 9, p. 914-931.
[2] Moreau, L., Zaïm, M. E. H., Machmoum, M., Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for
High-torque Applications. Electric Power Components and Systems, 2014, vol. 42, no 6, p. 629-638.
[3] Chen, H., Ait-Ahmed, N., Machmoum, M., et al. Modeling and current control of a double salient permanent
magnet generator (DSPMG). In : Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on.
IEEE, 2013. p. 1-10.
[4] Chen, H., Ait-Ahmed, N., Zaïm, E. H., et al. Marine tidal current systems: State of the art, Industrial Electronics
(ISIE), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012. p. 1431-1437.
[5] Moreau, L., Huang, J., Zaïm, M.E., Tang, T., Multiobjective Design Optimization of a Low Speed Slotted Doubly
Salient Permanent Magnet Machine, accepté à paraitre, Numelec 2015.
[6] Harkati, N., Moreau, L., Zaïm, M. E., et al. Low speed doubly salient permanent magnet generator with passive
rotor for a tidal current turbine, Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2013 International
Conference on. IEEE, 2013. p. 528-533.
[7] Philips, D.A., Coupling finite elements and magnetic networks in magnetostatics, International Journal for
Numerical Methods in Engineering, vol. 35, no. 10, pp. 1991 - 2002, 1992.
[8] Dular,P. Gyselinck, J., and Henneron,T ., Piriou, F., Dual Finite Element Formulations for Lumped Reluctances
Coupling, IEEE Transaction on Magnetics, vol. 41, no. 5, pp. 1396-1943, May 2005.
[9] Gyselinck, J., Dular, P., Legros, W., & Grenier, D. (2003)., Hybrid magnetic equivalent circuit–finite element
modelling of transformer fed electrical machines. COMPEL: The International Journal for Computation and
Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 22(3), 643-658.
[10] Nedjar, Boumedyen. Modélisation basée sur la méthode des réseaux de perméances en vue de l'optimisation de
machines synchrones à simple et à double excitation. 2011. Thèse de doctorat. École normale supérieure de CachanENS Cachan.
[11] Bracikowski, N. Modélisation multi-physique par modèles à constantes localisées; Application à une machine
synchrone à aimants permanents en vue de son dimensionnement. 2012. Thèse de doctorat. École Centrale de Lille.
CV du directeur de thèse (1 page au maximum)
ZAÏM Mohammed El-Hadi, Professeur à l’Ecole polytechnique de l’Université de Nantes (63ème section)
Docteur-Ingénieur en Génie Electrique de l’ INPL, Nancy. 1979
Docteur d’Etat en Génie Electrique, ENP Alger, 1989
Habilité à Diriger des Recherches, Université de Nantes, 2000
Téléphone : 02 40 17 26 08
e.mail : [email protected]
ACTIVITES DE RECHERCHE
Mes travaux sont actuellement effectués dans l’équipe MDE, ‘‘Modélisation de Dispositifs
Electromagnétiques’’, de l’Institut de Recherches IREENA, EA 4642. Je m’intéresse à la modélisation, la
conception, l’optimisation et le développement d’actionneurs spéciaux pour les applications embarquées et
les machines à attaque directe pour la production de l’énergie.
ARTICLES DE REVUE ET OUVRAGES DEPUIS 2009
[P1] M.E. Zaïm ‘‘High speed solid rotor synchronous reluctance machine. Design and optimization’’. IEEE Transactions on
magnetics, Vol 45, issue 3, 2009.
[P2] M. Belhaj, P. Guérin, M.E. Zaïm, L. Abdeljalil “Influence of the frequential identification tests on the induction machine
modelling”. The European Physical Journal, Applied Physics, EPJ AP, vol 47, n° 3, 31101 pp 1-10, Sept 2009.
[P3] R. Saou, M.E. Zaïm, K. Alitouche “Modelling and Design of a Low Speed Flux Reversal Machine”, Journal of electrical
systems, Special Issue N° 01, pp18-23, November 2009
[P4] A. Tounzi, B. Ramdane, M.E. Zaïm “Study and experimentation of a rotor current excited Vernier reluctance machine aimed to
direct-driven applications”. The European Physical Journal, Applied Physics, EPJ AP, vol 52, 11102 (2010) pp 1-11, October 2010.
[P5] N. Bernard, F. Martin, M.E. Zaïm, “Design methodology of a permanent magnet synchronous machine for a screwdriver
application,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 27, n°3, pp624-633, Sept. 2012
[P6] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum “Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High-torque
Applications”. Electric Power Components and Systems, Vol 42, Issue 6, 2014.
[P7] F. Martin, M.E. Zaïm, M. Tounzi, N. Bernard “Improved analytical determination of eddy current losses in surface mounted
permanent magnets of synchronous machine,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol 50, n°6, 2014
[P8] A. Belahcen, F. Martin, M.E. Zaim, E. Dlala, Z. Kolondzovski “Combined FE and Particle Swarm Algorithm for Optimization of
High Speed PM Synchronous Machine”. To be published in COMPEL Journal
[Ouv1] R. Le Doeuff, M. E. Zaïm “Machines électriques tournantes. De la modélisation matricielle à la mise en œuvre”. Ed.
Hermes Science – Lavoisier, 268 pages, avril 2009. ISBN 978-2-7462-1788-1
[Ouv2] R. Le Doeuff, M. E. Zaïm “Rotating electrical machines”. Traduction de [Ouv2]. Ed. ISTE Ltd – John Wiley, 291 pages,
2010. ISBN 978-1-84821-169-8. This book is the English version of the previous [Ouv1]
[Ouv3] A. Rezzoug, M.E. Zaïm (sous la direction de) “Machines électriques non conventionnelles”, Ed. Hermes Science –
Lavoisier, 261 pages, 2011. ISBN 978-2-7462-2574-9.
[Ouv4] A. Rezzoug, M.E. Zaïm (Edited by) “Non-conventional Electric Machines”, Traduction de [Ouv3] Ed. ISTE Ltd – John
Wiley, 262 pages, 2012. ISBN 978-1-84821-300-5. This book is the English version of [Ouv3]
[Ouv5] M.E. Zaïm, R. Le Doeuff, M.F. Benkhoris, M. Machmoum “Machines électriques tournantes. Exercices et problèmes
corrigés”, Ed. Hermes Science – Lavoisier, 294 pages, 2012, ISBN 978-2-74623-826-8
THESES ENCADREES DEPUIS 2009
[T1] - F. MARTIN “Contribution au dimensionnement optimal de machines synchrones à aimants déposés en surface
pour applications haute vitesses”, Université de Nantes, avril 2013.
[T2] Hao CHEN “Modeling and control of a marine current energy conversion system using a doubly salient permanent
magnet generator”, Université de Nantes, 11 juillet 2014.
[T3] Nacereddine Harkati “Modelisation et conception de génératrices lentes pour hydrolienne”, University of Nantes,
soutenance prévue en juin 2015.
[T4] Nassim Bekka “Modélisation et optimisation d’actionneurs rotatifs fort couple pour systèmes embarqués”,
Université de Nantes, soutenance prévue en octobre 2015.
CV de l’encadrant (1 page au maximum)
Nicolas BRACIKOWSKI
MAITRE de CONFERENCES à l’IUT de SAINT NAZAIRE
Tél : 02 40 17 86 44
Mail : [email protected]
Activités de Recherche
Conception d’actionneurs électromagnétiques. Modélisation multi-physique des machines électriques :
électrique, magnétique, électronique, vibratoire, acoustique et thermique. Modélisation par constantes localisées.
Activités d’Enseignement
Enseignement au sein du Département « Génie Industriel et Maintenance » de l’IUT de Saint-Nazaire.
Responsabilité dans les enseignements d’électronique analogique (CM,TD,TP) et dans les projets tutorés.
Diplômes Universitaires
- Doctorat (Génie Electrique) - Mention : Très honorable;
Villeneuve d'Ascq - Ecole Centrale de Lille – Laboratoire L2EP ; 2008-2012
- Master ISE (Ingénierie des Systèmes Electriques) - Mention : Bien;
Béthune - Faculté des Sciences Appliquées ; 2006-2008
- Licence GEII (Génie Electrique Informatique Industriel) - Mention : A-Bien;
Béthune - Faculté des Sciences Appliquées ; 2002 - 2006
Publications récentes : (2 Articles de revues, 11 Articles de conférences)
- Jinlin GONG, Nicolas BRACIKOWSKI, “Multiphysics Modeling of a Multi-phase Linear Motor Using Lumped
Models”, 17th International Conference on Electrical Machines and Systems, Hangzhou, China, 10-2014.
- Nicolas BRACIKOWSKI, Mathieu ROSSI, Michel HECQUET, Frédéric GILLON, ”Multi-physics design rules using
lumped models for a permanent magnet synchronous machine”, International Journal of Applied Electromagnetics
and Mechanics, IJAEM, Vol. 43, N. 1, 9-2013.
- Nicolas BRACIKOWSKI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, Sergey V. SHIRINSKII, "Multiphysics modeling
of permanent magnet synchronous machine by lumped models", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Vol.
59, N. 6, pages. 2426 -2437, 6-2012.
-
Nicolas BRACIKOWSKI, Mathias FAKAM, , Michel HECQUET, Pascal BROCHET, Vincent
LANFRANCHI,"Characterisation of radial vibration force and electromagnetic noise behavior of a PWM-fed
permanent magnet synchronous machine", 20th International Conference on Electrical Machines, IEEE - ICEM 2012,
Marseille, France, 09-2012.
- Nicolas BRACIKOWSKI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, "Optimisation multi-objectif sous contraintes
multi-physiques d’une machine synchrone à aimants permanents utilisant des modèles à constantes localisées.",
EF2011, Conférence Électrotechnique du Futur, 12-2011, FEMTO.ST, Belfort, 12-2011.
Encadrements : (1 Thèse, 11 Master Recherche) ;
- DANG Thi Nhat Linh (Septembre 2014 – ) ; Taux d'encadrement : 30 %.
Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à hautes vitesses de rotation. - Application
à la propulsion des véhicules automobiles.
- Encadrement de stages de Master Recherche : 11
CV de l’encadrant (1 page au maximum)
Luc MOREAU 36 ans
Grade : MC
Emploi actuel : Enseignant-Chercheur à l’IREENA et à Polytech’Nantes
Expériences professionnelles :
Industrie:
Ingénieur d’étude à la division alternateur de Leroy Somer (Emerson) de 2007 à 2011. Chef de projets :
• Augmentation de puissance massique des alternateurs synchrones à rotor bobiné.
• Alternateur à aimants permanents dédié à l’alimentation de tours d’éclairage (dépôt de brevet).
• Alternateur à rotor bobiné à vitesse variable destiné à l’alimentation d’un groupe de climatisation.
Enseignements:
Enseignements d’électronique, d’électronique de puissance et de conception de machines tournantes au
département Génie Electrique de Polytech’Nantes, en master recherche international (SEGE), en classe
préparatoire intégrée (PEIP) et au CNAM.
Recherche :
Thèmes de recherche : Modélisation et optimisation d’ensemble convertisseur machine.
• 2005 : Thèse de doctorat de l’université de Nantes ; Modélisation, conception et commande de
génératrices à réluctance variable basse vitesse.
• 2006 : Post-doctorat au L2EP (Ecole Centrale de Lille) en collaboration avec Schneider Electric sur
le thème filtrage hybride série.
• 2006 à 2015 : Encadrement de 12 stages master recherche (Système Electronique et Génie
Electrique).
Encadrement de thèses :
Septembre 2011 (prise de poste) ; Modélisation et conception de génératrice lentes pour hydrolienne.
Septembre 2012; Study of tidal energy conversion system.
Publications (ou brevets) les plus significatives des cinq dernières années :
[B1] L. Moreau, P. Rigaud, T. Verchere, "Assembly Operating in a Variable Regime", WO2012110979
A1, publication date: August. 23, 2012.
[ACL1] L. Moreau, M. Machmoum, M.E. Zaïm, “Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance
Generator for High Torque Application“, Electric Power Components and Systems, 2014, Taylor and Francis
Journal.
[ACTI 1] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum, “Electromagnetic Design Optimization of a Low Speed
Slotted Switched Reluctance Machine using Genetic Algorithm”, ICEM 2012, Marseille, September 2012.
[ACTI 2] N. Harkati, L. Moreau, J. F. Charpentier, M.E. Zaïm, “Low speed doubly salient permanent
magnet generator with passive rotor for a tidal current turbine”, ICRERA , 20-23 September 2013.
[ACTI 3] J. Zhang, L. Moreau, J. Guo, M. Machmoum, "Joint Optimization of Electromagnetic Structure
and Control of a Double Stator Permanent Magnet Generator for Tidal Energy Applications Current
Applications", IEEE International Power Electronics and Application Conf. and Exposition, PEAC,
Shanghai, China, nov. 2014.