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CNRT Futurelec
Lille
Salon SIFER – Juin 2007 - LILLE
Machines électriques d’
d’avenir
M. Hecquet, J. Le Besnerais, A. Fasquelle, S. Kreuawan, F. Moussouni, F. Gillon, S.
Brisset, P. Brochet.
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP)
Equipe ‘COSME’ à l’Ecole Centrale de Lille
Plan
Introduction
Etat des lieux & contexte de l’étude
Objectifs technologiques
Démarche et stratégie développée
Modélisation multi-physiques
Optimisation multi-objectifs
Applications ‘machines de traction de type asynchrone’
Résultats sur la modélisation multi-physiques
Résultats sur l’optimisation multi-objectifs
1
Conclusions et perspectives.
Introduction
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
3. Application aux
MAS & MSAP
4. Conclusions &
perspectives
Les moteurs d’avenir ?
Travaux sur les structures (à aimants, matériaux), intégration
système,
Travaux sur les aspects environnementaux (bruit, écoconception, efficacité énergétique…)
Travaux sur les outils et les méthodes de conception optimale
multi-physiques et multi-disciplinaires
2
Introduction
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
Travaux de recherche en cours
Programme CNRT ‘Futurelec3’ (Région / ANR / Feder - ALSTOM)
‘Machines électriques à faible impact environnemental pour les transports du futur’
3. Application aux
MAS & MSAP
3 thèses + 4 CDD (4 enseignants-chercheurs) avec le LME
4. Conclusions &
perspectives
⇒ modélisation multi-physiques, optimisation multi-objectif, instrumentation de la démarche de
conception.
Programme PREDIT ‘Prosodie’ (ADEME / ALSTOM)
Propulsion Silencieuse Optimisée et Dimensionnée pour l’environnement’
2 thèses, L2EP & LEC, LMM (Paris IV), Vibratec, EuroExA.
Partenaires
ALSTOM – TR ANSPORT Ornans / Tarbes / Charleroi
L2EP (COSME) – Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille
LME – Laboratoire de Mécanique Énergétique de Valenciennes
LEC – Laboratoire d’Electromécanique de Compiègne (UTC).
3
Introduction
(Etat des lieux)
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
Moteurs de traction ALSTOM-TRANSPORT
Machines asynchrones
Machines asynchrones : 2500/an
Puissance de 40 – 1630 kW.
3. Application aux
MAS
Machines synchrones :
4. Conclusions &
perspectives
500/an de 1000 – 2800 kW (bobiné)
100/an de 100 à 700kW (à aimants)
Machines synchrones
Marché de petite série.
Amélioration continue de
‘catalogues’ .
moteurs
Validation du moteur (prototypes &
essais d'investigations sur bancs)
4
Introduction
Objectifs technologiques
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
accroissement
énergétique,
3. Application aux
MAS
de
l’efficacité
réduction des encombrements
et des masses,
4. Conclusions &
perspectives
maintien de la température à un
niveau acceptable,
réduction
des
nuisances
comme le bruit et les vibrations.
Résultats attendus :
Prise en compte du bruit et des vibrations dès la phase de conception
de la machine,
Développement d’un outil d’aide à la conception,
Bon compromis ‘niveau acoustique’ – température
optimisation multi-objectif.
5
– performances :
Démarche et stratégies développées
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
dév eloppée
3. Application aux
MAS
4. Conclusions &
perspectives
Thématiques et démarches
scientifiques :
* Modèle de conception :
– Prise en compte du bruit d’origine
électromagnétique,
– Prise en compte de la thermique et
l’aéraulique des différents types de machines,
- machine refroidie par eau, par air
complètement fermée.
* Thématiques :
Refroidissement par air
⇒ conception multi-physique de machines de traction ferroviaire,
⇒ optimisation multi-objectif dans le contexte de la conception en
électrotechnique.
6
Démarche et stratégies développées
Modélisation multi-physiques
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
dév eloppée
•
•
3. Application aux
MAS
4. Conclusions &
perspectives
•
LME: Etude et modélisation aéro-thermique
– Identification de coefficients d’échange
L2EP: Etude et modélisation électrique,
magnétique et vibro-acoustique
– Calcul de pertes
– Calcul des vibrations
– Calcul du bruit rayonné (électromagnétique)
LEC: Association convertisseurs
– Stratégies MLI
M odèle électr omagnétique
(induction b, forces
magnétomotrices fmm, pertes
Électromagnétiques, stratégies MLI…)
P ertes
B, F orces
vitesses d’air en partie frontale,
Code FLUENT (aéraulique)
M odèle vibro-acoustique
(raies v ibratoires et
fréquences associées…)
Températures
Données d’entrée
Étude aér othermique
M odèle aérother mique
(températures…)
(cartes de débit,
coefficient d’échange conv ectif…)
1
7
Démarche et stratégies développées
Modélisation multi-physiques
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
dév eloppée
150
100
3. Application aux
MAS
50
4. Conclusions &
perspectives
110
B(t,θ)
A
100
90
0
F r equency H z
S pectre vibratoire dB,…
dB
80
70
60
50
40
F(θ
θ ,t)
30
S pectre du bruit dB,…
F réqu ences
Fr, modes…
INDUCT ION, FORCE
VIBRAT IONS
Modèle vibro-acoustique de la machine
9
BRUIT
Démarche et stratégies développées
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
dév eloppée
3. Application aux
MAS
4. Conclusions &
perspectives
a) Optimisation par plans d’expériences (mono-objectif)
Modèle
thermique
Paramètres
d’entrée :
Ns, Nr,
Hculasse ,
LargDent ,
….
Modèle
Electromagnétique
B(θ
θ ,t)
F(θ
θ ,t)
Machine
optimale
Temp.
Modèle vibroacoustique
spectre (dB)
Optimisation par
Plans d’expériences
‘SOPHEMIS’
Contraintes sur le
bruit d’origine
électromagnétique
Optimisation avec comme contrainte la ré
réduction
du bruit d’
d’origine é lectromagn
lectromagnéétique.
10
Démarche et stratégies développées
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
dév eloppée
3. Application aux
MAS
b) Optimisation multi-objectifs
Présentation de différentes méthodes :
- Utilisation des algorithmes génétiques(NSGA II), méthodes hybrides, méthodes
heuristiques….
⇒ mode de représentation par Front de Pareto 2D ou 3D
4. Conclusions &
perspectives
11
Applications aux machines de traction
Étude de sensibilité vibro-acoustique de la machine asynchrone
1. Introduction
Compromis nombre d’encoches stator / rotor appliquée à la problématique de la
vitesse variable (minimisation du bruit d’origine électromagnétique)
⇒ Prédiction sur différentes gammes de machines
2. Démarche et
stratégie
développée
Effet de denture
S pect re vi bratoire dynam ique de la M AS
150
Yd0
Yd2
Yd4
Yd6
Yd8
Yd14
147,6 dB
140
579,1 Hz
3. Application aux
MAS
fs. (Zr/p+2)
130
90
120
85
93 dB
110
4. Conclusions &
perspectives
Amplit ude
Bruit(dB)
80
75
70
2765 Hz
100
90
80
65
70
60
60
50
55
50
91 dB
1805 Hz
200
150
48
46
44
enc oches
Zr rotor
40
0
500
100
42
40
1000
1500
2000
2500
3000
Fréquence (Hz)
50
38
fréquence
fréquence
(Hz)
(Hz)
Niveau du bruit minimum
Meilleure configuration
Niveau du bruit acoustique < 60 dB pour une plage de fréquence 80Hz – 200Hz
12
3500
4000
Applications aux machines de traction
Exemple de résultats obtenus sur une optimisation multi-objectif
Front de PARETO 3D
(bon compromis : Prix / Bruit / η)
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
Zones de déduction optimales
au niveau acoustique
Front de Pareto 3D avec 100 individus
3. Application aux
MAS
Meilleur point (Bruit)
Meilleur point (Invrendement)
Meilleur point (Cout)
Meilleurs points (3 objectifs)
Autres points
Point Initial
Cout
4. Conclusions &
perspectives
Bruit (dB)
Bruit (dB)
Inv-rend (%)
(3 iso surfaces : 75, 80 et 85 dB)
(bruit, coût, rendement)
13
Applications aux machines de traction
Exemple de résultats obtenus sur une optimisation multi-objectif
À vide
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
ESSAIS
Cartographie de T°
(calage avec les essais)
3. Application aux
MAS
½ charge
4. Conclusions &
perspectives
Pleine charge
Simulation à vide
14
Conclusions
1. Introduction
2. Démarche et
stratégie
développée
-
Les moteurs de tractions de l’avenir seront des moteurs
optimisés sur le cycle de vie, en terme de:
Efficacité énergétique
Fiabilité
Impact environnemental
-
Leur conception et leur mise au point nécessitent des
progrès important en modélisation fine multiphysique et
multidisciplinaire ainsi qu’en optimisation multi objectif et
systémique.
-
Ces avancées scientifiques sont en cours avec le groupe
ALSTOM Transport
3. Application aux
MAS
4. Conclusions &
perspectives
15
Perspectives
1. Introduction
Conception et Optimisation systémique multi-niveaux
2. Démarche et
stratégie
développée
Formulations & Méthodes
3. Application aux
MAS
Système
Système
4. Conclusions &
perspectives
Sous système
Sous système
Composant
Composant
Composant
Composant
‘Collaborative Optimization’
‘Analytical Target Cascading’
2 méthodes de conception multi-niveaux
Utilisation d’algorithme d’optimisation classique avec la difficulté
de passer les objectifs et les contraintes entre les boucles
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Composant
CNRT Futurelec
Lille
Salon SIFER – Juin 2007 - LILLE
Machines électriques d’
d’avenir
M. Hecquet, J. Le Besnerais, A. Fasquelle, S. Kreuawan, F. Moussouni, F. Gillon, S.
Brisset, P. Brochet.
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP)
Equipe ‘COSME’ à l’Ecole Centrale de Lille