Utilisation de l'optimisation pour rénover l'enseignement de la conception des machines électriques - Description d'un travail pratique utilisant le logiciel Pro@Design

National audienceCette communication porte sur l'utilisation de l'optimisation dans l'enseignement de la conception des machines électriques en deuxième année d'un Master en génie électrique. Les auteurs présentent ce nouveau cours en termes de contenu d'enseignement, mais aussi d'objectifs pédagogiques. Ils mettent en évidence l'intérêt pédagogique du dimensionnement optimal pour former les étudiants en génie électrique aux nouveaux enjeux de la conception des machines électriques (réduction de la phase de conception et amélioration continue des performances définies dans les cahiers des charges). Le logiciel Pro@Design est utilisé pour faciliter le déroulement de travaux pratiques portant sur les cas concrets du dimensionnement d'un transformateur monophasé et d'une machine synchrone à aimants permanents. Plus précisément, l'étude du dimensionnement optimal du transformateur est détaillée : les auteurs présentent les optimisations demandées aux étudiants qui portent sur la minimisation de la masse totale, la maximisation du rendement et, finalement, la minimisation du coût du transformateur sur dix ans d'utilisation

Integrated Optimal Design of a Passive Wind Turbine System: An Experimental Validation

This work presents design and experimentation of a full passive wind turbine system without active electronic part(power and control). The efficiency of such device can be obtained only if the system design parameters are mutually adapted through an Integrated Optimal Design (IOD) method. This approach based on multiobjective optimization, aims at concurrently optimizing the wind power extraction and the global system losses for a given wind speed profile while reducing the weight of the wind turbine generator. It allows us to obtain the main characteristics (geometric and energetic features) of the optimal Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) for the passive wind turbine. Finally, experiments on the PMSG prototype built from this work show a good agreement with theoretical predictions. This validates the design approach and confirms the effectiveness of such passive device

Analytical Modelling of No-Load Density in Surface Mounted Permanent Magnet Motor

International audienceIn this paper, the authors present an analytical calculation in order to predict the no-load flux density in surface mounted synchronous permanent magnet machines. This analytical model is based on two-dimensional analysis in polar coordinates and has been developed for both parallel and radial magnetization of the magnets. The no-load magnetic vector potential is established by solving Laplace/Poisson's equations using the Fourier's series and the method of separating variables. Two circular regions are considered: the Region.I, which is the air-gap modified by Carter's coefficient, and the Region.II, which includes the magnets and the air-spaces between magnets. The analytical results are compared with the ones obtained by a numerical analysis using the finite-element method (FEM)

Design of a High-Speed Permanent Magnet Motor for the Drive of a Fuel Cell Air-Compressor

International audienceThis paper deals with the design of a 500 W permanent magnet (PM) machine used to drive the aircompressor of a 5 kW fuel cell (FC). The authors focus on the optimization of the motor efficiency in order to minimize the energy consumption of the air-compressor which can represent up to 30 % of the electrical energy delivered by the FC. The authors justify the use of a PM machine by the fact that, by using rare earth Nd-Fe-B magnets, such a type of machine makes it possible to reach a high efficiency as well as a high power density. The optimized machine presented in this paper have theoretically more than 25 % of its working area with an efficiency higher than 90 % and the efficiency at the rated point equals to 92 %. Those promising results of computation are confirmed by the first experimental results obtained with a prototype

Maximization of No-Load Density in Surface Mounted Permanent Magnet Motor

International audienceAn exact two-dimensional (2-D) analytical model (AM) of slotless permanent magnet (PM) machines in polar coordinates is used to determine the analytical equations of the air-gap flux density at no-load operation. The authors show that, for a radial magnetization, there is an optimal magnet thickness which permits to maximize the noload flux density. In order to use easily and directly this optimal value during the design of surface mounted PM motors (SMPMM), the authors propose an original analytical expression of this maximum magnet thickness that have been obtained by interpolation of the values given by several analytical computations. This interpolation function could be applied to SMPMM having a parallel or radial magnetization direction

Méthode de Calcul Rapide des Pertes par Courants de Foucault dans les Aimants Permanents

Dans ce papier, une méthode de calcul rapide des pertes par courants de Foucault (CF) dans les aimants permanents (APs) est proposée. Le modèle est basé sur la résolution des équations de la magnétostatique en utilisant les éléments finis 3D (la conductivité électrique des APs est alors négligée), puis sur le calcul des courants de Foucault à partir de l'équation de Maxwell-Faraday et en utilisant les différences finies (DF) avec un maillage grossier. La machine étudiée est de type synchrone à AP à flux-axial (MSAPFA). Le temps de calcul, comparé à un calcul complet par éléments finis 3D (EF-3D), est divisé par 11

Études théorique et expérimentale des pertes par courants de Foucault dans les aimants permanents à partir d'un dispositif de type électroaimant

RESUME -- La tendance actuelle dans les transports électriques (e.g., la traction ferroviaire, les véhicules électriques et/ou hybrides électriques) ou encore dans les grandes éoliennes à attaque directe est d'utiliser des machines synchrones à aimants permanents (APs) utilisant des terres rares pour leurs grandes performances massiques. Toutefois, un inconvénient majeur de ces machines est l'existence de pertes pouvant être importantes dans les APs, notamment lorsque le bobinage est concentrique autour des dents. Ces pertes sont à l'origine d'une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l'origine d'échauffements excessifs des APs, avec des risques de désaimantation d'une part et des risques de décollement d'autre part. Afin de mieux appréhender les différents phénomènes physiques qui interviennent dans ces pertes, nous avons considéré un électroaimant en forme de U à armature plate, dans lequel sont insérés des APs. Dans cet article, nous décrivons tout d'abord ce dispositif expérimental, puis nous présentons des modèles numériques par éléments finis (EF) en 2D/3D permettant d'évaluer les différents paramètres influençant les pertes dans les APs. Nous proposons ensuite une approche de modélisation (semi-)analytique 3D ayant des temps de réponse faibles. Cette approche est finalement confrontée aux modèles numériques. Mots-clés -- Électroaimant, pertes, aimants permanents, modélisation, numérique, (semi-)analytique</p

3-D Numerical Hybrid Method for PM Eddy-Current Losses Calculation: Application to Axial-Flux PMSMs

International audienceThis paper describes a 3-D numerical hybrid method (NHM) of the permanent-magnet (PM) eddy-current losses in axial-flux PM synchronous machines (PMSMs). The PM magnetic flux density is determined using the multi-static 3-D finite-element method (FEM) at resistance-limited (i.e., without eddy-current reaction field). Based on the predicted flux density distribution, the eddy-currents induced in the PMs and the 3-D PM eddy-current losses are calculated by 3-D finite-difference method (FDM) considering a large mesh. Therefore, this 3-D NHM is based on a coupling between the multi-static 3-D FEM and the 3-D FDM. Two 24-slots/16-poles (i.e., fractional-slot number) axial-flux PMSMs having a non-overlapping winding (all teeth wound type) with stator double-sided structure are studied: 1) surface-PM (SPM) and 2) interior-PM (IPM) To evaluate the reliability of the proposed technique, the 3-D PM eddy-current losses are determined and compared with transient 3-D FEM (i.e., magneto-dynamical 3-D FEM). The same nonlinear properties of the laminations have been applied for multi-static/transient 3-D FEM. The computation time can be divided by 25 with a difference less than 12%

Pertes magnétiques des systèmes électromagnétiques : Circuit Magnétique Equivalent & Modèle LS

International audienceDans cet article, nous présentons une approche inédite permettant l'évaluation des pertes magnétiques à partir des formes d'ondes des inductions issues d'un circuit magnétique équivalent (CME) adaptatif non-linéaire par le modèle Loss Surface (LS). L'approche a été appliquée à une machine synchrone à flux radial et à aimants enterrés. Les résultats ont été comparés avec les calculs a posteriori opérés dans Flux2D. Une mention spéciale doit tout de même être faite sur le gain considérable en temps de calcul que pourrait apporter le CME par rapport aux Éléments Finis. L'influence du maillage du CME sur les pertes magnétiques ainsi que sur les performances électromagnétiques de la machine a été abordée. </p

Étude de la Désaimantation dans l'Air d'un Inducteur Cylindrique de Machines à Aimants permanents montés en Surface

National audienceCet article traite de la démagnétisation dans l'air des aimants permanents (AP) d'un inducteur cylindrique de machines à AP montés en surface. Les auteurs présentent d'abord un calcul analytique exact du champ pour une telle structure, puis les résultats obtenus sont confirmés par des simulations numériques 2D et 3D. Les auteurs déterminent ainsi, dans un cas concret, les limites en température et en épaisseur d'aimants pour se prémunir de la désaimantation dans l'air