Développement de modèles analytiques thermiques pour des machines à aimants permanents

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016Ce mémoire porte sur le développement d’une modélisation thermique avec des modèles analytiques, pour la conception de machines électriques. Il concerne plus particulièrement les structures de machines cylindriques à aimants permanents. Nous discutons ensuite du modèle thermique complet de type circuit thermique qui a été réalisé et confronté à des résultats expérimentaux. Ce modèle a une très bonne précision et il nous a permis d’étudier l’effet de différentes variations topologiques sur le comportement thermique ainsi que différentes stratégies de refroidissement. Ce modèle peut facilement être intégré dans un processus d’optimisation. En nous basant sur les mêmes principes, nous avons proposé un nouveau modèle à résistances thermiques combinées pour modéliser les échanges thermiques entre les conducteurs dans les encoches. Ce modèle permet d’apprécier le caractère aléatoire de la disposition des conducteurs dans la bobine et peut être jumelé à un modèle plus global.This thesis focuses on the development of a thermal modeling with analytical models for the design of electrical machines. It concerns more particularly cylindrical machine with permanent magnets. The methods used to determine the critical parameters of thermal modeling are presented first. We then present the complete thermal model that has been developed and confronted with experimental results. This model has very good accuracy and has allowed us to study the effect of different topological variations on the thermal behavior. It was also possible to analyze and compare different cooling strategies. This model can easily be integrated into an optimization process to determine the maximum permissible losses of a given configuration, or to define the cooling method to use. Based on the same principles, we proposed a new model to simulate the thermal exchanges between the conductors in the slots. This model allows us to appreciate the randomness of the arrangement of the conductors in the coil. It can be paired with a more comprehensive model of the machine in order to refine the resolution of the latter and ensure a more accurate analysis of the thermal behavior of the coils

Simulation Methods for the Transient Analysis of Synchronous Alternators

The integration of unconventional renewable energy sources on the electrical grid poses challenges to the electrical engineer. This chapter focuses on the transient modeling of electrical machines. These models can be used for the design of generator control, the definition of the protection strategies, stability studies, and the evaluation of the electrical; mechanical; and thermal constraints on the machine. This chapter presents three modeling techniques: the standard d-q equivalent model, the coupled-circuit model, and the finite element model (FEM). The consideration of magnetic saturation for the different models is presented. The responses of the different models during three-phase, two-phase, and one-phase sudden short circuit are compared

Multi-objective optimization applied to super high speed electric machine

La conception d'une machine électrique haute vitesse est un défi multidisciplinaire et implique plusieurs domaines du génie. La haute fréquence imposée par la vitesse de rotation demande une attention particulière sur la conception magnétique et électrique de la machine, mais également de l'électronique de puissance qui lui est associée. Dû à sa grande densité de puissance, il est très difficile d'extraire efficacement la chaleur de ce type de machine et cet aspect devient rapidement un obstacle majeur à l'augmentation de puissance. La conception du système de refroidissement doit être judicieuse pour éviter d'amputer des performances électromagnétiques tout en assurant que les limites de températures ne soient pas dépassées dans chacune des parties de la machine. Ensuite, à cause de la grande vitesse, les pièces tournantes subissent des efforts mécaniques considérables et dictent les limitations géométriques de la machine. La dynamique du rotor peut devenir complexe à gérer et doit être traitée ingénieusement. Ce travail de recherche s'est intéressé à exposer les contraintes de conception qui limitent l'augmentation de densité de puissance, plus spécifiquement pour un démarreur générateur électrique super haute vitesse développé pour une application de microturbine. Une révision de littérature à permis de cibler le type de machine présentant le plus grand potentiel de densité de puissance, c'est-à-dire la machine synchrone à aimants permanents. Cinq topologies ont été sélectionnées afin de déterminer quelles sont les limites à une grande densité de puissance et quelles sont les approches à favoriser pour les repousser. En premier lieu, une méthodologie générale d'un processus d'optimisation multicritère d'une machine synchrone est présentée. Les modèles et méthodes pouvant être utilisés pour représenter chacun des systèmes physiques sont brièvement développés, soit les phénomènes électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques et l'évolution des caractéristiques des matériaux. Ensuite, la méthodologie générale du processus d'optimisation a été adaptée pour l'application spécifique aux machines super haute vitesse. L'approche retenue a été d'utiliser des métamodèles développés à partir de simulation magnétostatique et magnétodynamiques de calcul des champs avec une combinaison de modèles analytiques. Ensuite, à l'aide d'un cahier des charges, le processus d'optimisation est utilisé pour calculer des fronts de Pareto et visualiser les effets individuels et combinés des contraintes de conception sur la densité de puissance maximale admissible. Ensuite, les aspects de fabrication et de robustesse aux défauts qui sont difficiles à inclure dans un processus d'optimisation sont étudiés à l'aide d'une étude de cas. Finalement, l'utilisation de la méthodologie développée a permis de montrer que, pour l'étude de cas, l'application de contraintes de conception à peu d'impact sur le rendement de la machine. Cependant, ceux-ci se répercutent sur la densité de puissance maximale admissible. De plus, l'étude a permis de mettre à jour les verrous technologiques qui empêchent l'augmentation de la densité de puissance et permet de cibler des alternatives pour les repousser.Abstract : The design of a super-high-speed electric machine must be seen as a multidisciplinary challenge and involves several fields of engineering. The high frequency imposed by the speed of rotation requires special attention on the magnetic and electrical design of the machine, but also of the power electronics associated with it. Due to its high power density, it is very difficult to efficiently extract heat from this type of machine and this aspect quickly becomes a major obstacle to the power increase. The design of the cooling system must be judicious to avoid reducing electromagnetic performance while ensuring that temperature limits are not exceeded in any part of the machine. Then, because of the high speed, the rotating parts undergo considerable mechanical forces and dictate the geometric limitations of the machine. Rotor dynamics can become complex to manage and must be handled ingeniously. This research work was interested to show the design constraints that limit the increase of power density, more specifically for a super-high-speed electric generator starter developed for a micro turbine application. A literature review made it possible to target the type of machine with the greatest potential for power density, that is to say the permanent magnet synchronous machine. Five topologies have been selected in order to determine the power density limits and how to push them back. A general methodology of a multi-objective optimization process of a synchronous machine is presented. The models and methods that can be used to evaluate each physical system are briefly developed, namely; the evolution of the characteristics of materials, the electrical, magnetic, mechanical and thermal phenomena. Then, the general methodology of the optimization process was adapted for the super-high-speed machines. The approach adopted was to use surrogate models developed from magneto static and magneto dynamic simulations with a combination of analytical models. Then, the optimization process is used to calculate Pareto front and visualize the individual and combined effects of design constraints on the maximum allowable power density. Then, aspects of manufacturing and robustness to defects are studied with a case study. Finally, the use of the methodology for the case study shows that design constraints has little impact on the efficiency of the machine. However, the design constraints affect the power density. In addition, the study made it possible to update the technological barriers that prevent the increase in power density and allow the targeting of alternatives to repel them

Les rappeuses québécoises sur le devant de la scène : autorité lyrique de la voix féminine chez Donzelle et MCM

Si le rap accède de nos jours à une certaine légitimité culturelle, le travail des rappeuses reste encore largement dans l’ombre. Ce sont les voix masculines qui se sont imposées dans le milieu du rap québécois, comme en témoigne l’intérêt que leur manifestent les maisons de disques (labels) et les stations de radio commerciales. Cet article propose une analyse des textes de deux rappeuses, MCM et Donzelle, afin d’observer comment elles construisent leur autorité lyrique, c’est-à-dire la crédibilité de leur prise de parole, la validité idéologique de leurs propos et la valeur esthétique de leur chant. Trois stratégies sont mises en place. Les rappeuses intègrent d’abord à leur rap un point de vue sexiste afin de reproduire le contexte social et discursif dans lequel elles oeuvrent. Ensuite, elles proposent une autre représentation des femmes afin de répondre à l’imaginaire sexiste dont s’est parfois nourrie la parole rap. Enfin, MCM et Donzelle créent leur propre esthétique, jouant pour ce faire avec les codes du trash, prégnant dans leur art.If rap has reached a certain cultural legitimacy, the work of female rappers remains largely in the shadows. Masculine voices have imposed themselves in Québec rap milieu, as evidenced by their presence in the labels and on the radio. This article offers an analysis of the texts from two female rappers, MCM and Donzelle, in order to examine how they build their lyrical authority, that is, the credibility of their voice, the ideological validity of their words and the aesthetic value of their singing. Three strategies are implemented. First, both rappers include a sexist point of view in their rap in order to reproduce the social and discursive context in which they are involved. Second, they offer another representation of women to reply to the sexist imaginary from which originate some rap works. Lastly, MCM and Donzelle create an aesthetic of their own, playing with the codes of trash, predominant in their work