Optimisation multiobjectif appliquée aux machines électriques super haute vitesse

Abstract

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.