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1

N° d"ordre : 166

E

COLE CENTRALE DE LILLE

THESE présentée en vue d"obtenir le grade de

DOCTEUR

en

Spécialité : Génie ÷lectrique

par

GONG Jinlin

DOCTORAT DELIVRE PAR L"ECOLE CENTRALE DE LILLE

Titre de la thèse :

Modélisation et Conception Optimale d"un Moteur Linéaire à Induction Pour Système de

Traction Ferroviaire

Soutenue le 21 Octobre 2011 devant le jury d"examen : Président Abdelmounaïm TOUNZI, Professeur, USTL-Université Lille 1 Rapporteur Christophe ESPANET, Professeur, Université de Franche-Comté Rapporteur Noureddine TAKORABET, Professeur, INPL-ENSEM- GREEN

Examinateur Stéphane VIVIER, Maître de conférences, Université de Technologie de Compiègne

Examinateur Ghislain REMY, Maître de conférences, IUT de Cachan Examinateur Stéphane BRISSET, Maître de conférences, HDR, Ecole Centrale de Lille Invité Julien POUGET, Direction de l"innovation & de la recherche de SNCF

Directeur de

thèse Pascal BROCHET, Professeur, UTBM-Belfort-Montbéliard Co-directeur Frédéric GILLON, Maître de conférences, HDR, Ecole Centrale de Lille Thèse préparée dans le Laboratoire d"Electrotechnique et d"Electronique de Puissance (L2EP) Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)

PRES Université Lille Nord-de-France

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Table des matières

5

1634[A4L[O1_08]4L[

INTRODUCTION GENERALE .......................................................................................... 13N

CHAPITRE 1 : MOTEUR LINEAIRE POUR LA TRACTION FERROVIAIRE ......... 19N

I. INTRODUCTION ................................................................................................................... 22N

II. UTILISATION DES MOTEURS LINEAIRES DANS LES SYSTEMES FERROVIAIRES...................... 23N

II.1. Trains traditionnels avec roues ............................................................................................................. 23N

II.1.a. Histoire des applications ................................................................................................................................... 23N

II.1.b. Avantages et inconvénients .............................................................................................................................. 26N

II.2. Système à lévitation magnétique (Maglev) ............................................................................................ 27N

II.2.a. Le système de propulsion .................................................................................................................................. 28N

II.2.b. Le développement du Maglev........................................................................................................................... 28N

II.2.c. Avantages et inconvénients ............................................................................................................................... 32N

II.3. Frein linéaire ......................................................................................................................................... 33N

II.4. Projets actuels ....................................................................................................................................... 34N

III. PRESENTATION DU MOTEUR LINEAIRE .............................................................................. 35N

III.1. Principe de base ................................................................................................................................... 35N

III.2. Structure et classement......................................................................................................................... 36N

IV. ETAT DE L"ART EN MODELISATION ET EN CONCEPTION OPTIMALE.................................... 38N

IV.1. Différentes démarches de conception ................................................................................................... 38N

IV.2. Les modèles .......................................................................................................................................... 40N

IV.2.a. Modèle analytique ........................................................................................................................................... 40N

IV.2.b. Modèle numérique (éléments finis) ................................................................................................................. 40N

IV.2.c. Modèle intermédiaire ...................................................................................................................................... 41N

IV.2.d. Comparaison entre les différents modèles ....................................................................................................... 41N

IV.3. Formulation mathématique du problème d"optimisation ..................................................................... 42N

IV.3.a. Différentes expressions du problème d"optimisation ...................................................................................... 42N

IV.3.b. Front de Pareto ................................................................................................................................................ 45N

IV.4. Résolution du problème d"optimisation multi-objectif ......................................................................... 46N

IV.4.a. Méthode de Pondération .................................................................................................................................. 46N

IV.4.b. Méthode Epsilon-Contrainte ........................................................................................................................... 47N

IV.4.c. L"algorithme NSGA-II .................................................................................................................................... 48N

V. CONCLUSION ..................................................................................................................... 49N

CHAPITRE 2 : MODELISATION D"UN MOTEUR LINEAIRE ET VALIDATION

EXPERIMENTALE ............................................................................................................... 51

N

I. INTRODUCTION ................................................................................................................... 55N

II. QUELQUES ELEMENTS DE MODELISATION DU MOTEUR LINEAIRE ....................................... 56N

II.1. Effets d"extrémités ................................................................................................................................. 56N

II.1.a. Longueur finie-effet longitudinal ...................................................................................................................... 56N

II.1.b. Largeur finie-effet transversal .......................................................................................................................... 57N

III. PRESENTATION DU DISPOSITIF DE REFERENCE .................................................................. 57N

III.1. Structure du LIM de référence ............................................................................................................. 57N

III.2. Présentation du banc d"essais .............................................................................................................. 59N

IV. MISE EN EVIDENCE DES EFFETS LONGITUDINAUX ............................................................. 60N

IV.1. Distribution du flux dans le LIM .......................................................................................................... 60N

IV.2. Calcul des inductances ......................................................................................................................... 62N

IV.3. Coefficient de couplage ........................................................................................................................ 63N

IV.4. Calcul de la force de poussée ............................................................................................................... 65N

V. MISE EN EVIDENCE DES EFFETS TRANSVERSAUX ............................................................... 67N

V.1. Distribution du flux dans le LIM ............................................................................................................ 68N

V.2. Calcul des inductances .......................................................................................................................... 69N

V.3. Coefficient de couplage ......................................................................................................................... 70N

V.4. Calcul de la force de poussée ................................................................................................................ 70N

VI. MESURE SUR BANC .......................................................................................................... 71N

VI.1. Mesure des inductances ........................................................................................................................ 71N

VI.2. Mesure des coefficients de couplage .................................................................................................... 72N

Table des matières

6

VI.3. Mesure de la force de poussée .............................................................................................................. 73N

VI.4. Conclusion sur la modélisation électromagnétique.............................................................................. 73N

VII. MOEDILISATION MULTIPHYSIQUE ET PRISE EN COMPTE DE LA TEMPERATURE ................ 74N

VII.1. Source de chaleur ................................................................................................................................ 74N

VII.1.a. Les pertes Joule .............................................................................................................................................. 74N

VII.1.b. Les pertes fer ................................................................................................................................................. 75N

VII.2. Trois modes de transfert de chaleur .................................................................................................... 76N

VII.2.a. Transfert par conduction ................................................................................................................................ 76N

VII.2.b. Transfert par convection ................................................................................................................................ 77N

VII.2.c. Transfert par rayonnement ............................................................................................................................. 78N

VII.3. Couplage entre le modèle magnétique et thermique ........................................................................... 78N

VII.3.a. Construction du modèle thermique ................................................................................................................ 78N

VII.3.b. Couplage ........................................................................................................................................................ 80N

VII.3.c. Comparaison entre simulations et essais ........................................................................................................ 82N

VIII. SIMULATION AVEC PRISE EN COMPTE DU MOUVEMENT.................................................. 83N

VIII.1. Simulation du LIM en régime permanent .......................................................................................... 83N

VIII.1. Simulation d"un freinage ................................................................................................................... 85N

IX. CONCLUSION .................................................................................................................... 87N

CHAPITRE 3 : METHODES DE SUBSTITUTION .......................................................... 89N

I. INTRODUCTION ................................................................................................................... 92N

II. TECHNIQUES D"INITIALISATION ......................................................................................... 94N

II.1. Plans classiques..................................................................................................................................... 94N

II.2. Carré Latin ............................................................................................................................................ 96N

II.3. Nombre de points ................................................................................................................................... 97N

III. MODELE DE SUBSTITUTION .............................................................................................. 98N

III.1. Modèle polynomial ............................................................................................................................... 98N

III.1.a. Principe de construction .................................................................................................................................. 99N

III.1.b. Exemple simple ............................................................................................................................................... 99N

III.2. Fonction radiale de base .................................................................................................................... 101N

III.2.a. Principe de construction ................................................................................................................................ 101N

III.2.b. Exemple simple ............................................................................................................................................. 101N

III.3. Kriging ............................................................................................................................................... 102N

III.3.a. Principe de construction ............................................................................................................................... 102N

III.3.b. Exemple simple ............................................................................................................................................. 103N

III.4. Validation du modèle ......................................................................................................................... 104N

IV. CONCLUSION .................................................................................................................. 106N

CHAPITRE 4 : CONCEPTION OPTIMALE D"UN MOTEUR LINEAIRE DE

TRACTION .......................................................................................................................... 107

N

I. INTRODUCTION ................................................................................................................. 110N

II. OPTIMISATION DIRECTE DES MODELES DE SUBSTITUTION (ODMS) ............................... 112N

II.1. Formulation du problème d"optimisation ............................................................................................ 112N

II.2. Comparaison entre les modèles de substitution .................................................................................. 113N

II.3. ODMS stratégie ................................................................................................................................... 115N

III. EFFICIENT GLOBAL OPTIMIZATION (EGO) .................................................................... 115N

III.1. Principe de EGO ................................................................................................................................ 116N

III.2. Conception Optimale d"un moteur linéaire ........................................................................................ 117N

III.2.a. Processus de conception d"une machine électrique ....................................................................................... 117N

III.2.b. Conception à partir d"un point nominal ......................................................................................................... 118N

III.2.c. Formulation du problème d"optimisation ...................................................................................................... 119N

III.2.d. Résolution ..................................................................................................................................................... 120N

III.3. Principe de MEGO ............................................................................................................................. 122N

III.4. Application au moteur linéaire de référence ...................................................................................... 123N

III.4.a. Optimisation bi-objectif ................................................................................................................................. 123N

III.4.b. Tri-objectif optimisation ................................................................................................................................ 125N

IV. OUTPUT SPACE-MAPPING (OSM) .................................................................................. 127N

IV.1. Principe de l"OSM .............................................................................................................................. 128N

IV.2. Cas test ............................................................................................................................................... 130N

IV.2.a. Exemple A-cas idéal ..................................................................................................................................... 130N

Table des matières

7

IV.2.b. Exemple B-modèle trop grossier .................................................................................................................. 132N

IV.2.c. Exemple C-modèle avec contraintes ............................................................................................................. 132N

IV.2.d. Exemple D-OSM 3n ..................................................................................................................................... 134N

IV.3. Application au LIM ............................................................................................................................ 135N

V. OPTIMISATION DANS LE CONTEXTE D"UNE MODELISATION DIFFICILE .............................. 136N

V.1. Chainage des modèles ......................................................................................................................... 137N

V.2. Problème d"optimisation multi-objectif avec Modèle Multi-physique EF ........................................... 137N

V.2.a. Formulation du problème d"optimisation ....................................................................................................... 138N

V.2.b. Stratégie d"optimisation.................................................................................................................................. 138N

V.3. Critère de validation ............................................................................................................................ 144N

V.4. Résultats de l"optimisation multi-objectif ............................................................................................ 144N

VI. CONCLUSION .................................................................................................................. 146N

CONCLUSION GENERALE ............................................................................................. 149N

ANNEXE ............................................................................................................................... 155N

A.1.PARAMETRES GEOMETRIQUES ET ELECTRIQUES DU MOTEUR LINEAIRE DE REFERENCE . 156N

A.2.DOUCUMENTATION TECHNIQUE DU LMG05-30 ............................................................ 157N

A.3.PRESENTATION ET TEST D"ALGORITHME GENETIQUE .................................................... 159N

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................................... 163N

Liste des figures

8

1634[A46[L1O_046[

Figure 1-1 : Brevetée de Zehen en 1902 sur rails .................................................................... 24R

Figure 1-2 : Propulseur de lancement linéaire Westinghouse .................................................. 24

Figure 1-3 : Application du moteur linéaire avec des roues..................................................... 25

R

Figure 1-4 : Technologie ART en exploitation ........................................................................ 26R

Figure 1-5 : Système de Maglev............................................................................................... 27R

Figure 1-6 : Suspension électromagnétique avec du guidage intégré ...................................... 29R

Figure 1-7 : Suspension électromagnétique avec du guidage séparé ....................................... 30R

Figure 1-8 : Suspension électrodynamique .............................................................................. 30R

Figure 1-9 : System MLX Japonais .......................................................................................... 31R

Figure 1-10 : Photos de l"aérotrain suburbain S44 ................................................................... 31R

Figure 1-11 : Frein linéaire à induction .................................................................................... 33R

Figure 1-12 : Exemples des Projets actuels .............................................................................. 34R

Figure 1-13 : Transformation d"un moteur rotatif en moteur linéaire ...................................... 35R

Figure 1-14 : Classement des moteurs linéaires selon leur géométrie ..................................... 36R

Figure 1-15 : Classement des moteurs linéaires selon leur circuit magnétique ....................... 36R

Figure 1-16 : Variantes de moteur linéaire à induction ............................................................ 37R

Figure 1-17 : Méthodologie de Conception Séquentielle ......................................................... 38R

Figure 1-18 : Processus de conception optimale ...................................................................... 39R

Figure 1-19 : Comparaison entre différents types de modèle .................................................. 42R

Figure 1-20 : Mapping de l"espace de conception à l"espace des objectifs ............................. 44R

Figure 1-21 : Un exemple du Front de Pareto .......................................................................... 45R

Figure 1-22 : Front de Pareto par la méthode de Pondération ................................................. 47R

Figure 1-23 : FP par la méthode d"Epsilon-Contrainte ............................................................ 48R

Figure 1-24 : NSGA-II ............................................................................................................. 49R

Figure 2-1 : Effets d"extrémité de longueur finie ..................................................................... 56

R

Figure 2-2 : Distribution des courants dans le secondaire ....................................................... 57R

Figure 2-3 : Construction d"un primaire .................................................................................. 58R

Figure 2-4 : Les paramètres de la dimension du primaire ........................................................ 58R

Figure 2-5 : Moteur linéaire à induction à doubles primaires .................................................. 59R

Figure 2-6 : Banc d"essai pour valider les simulations ............................................................ 59R

Figure 2-7 : Banc d"essai amélioré ........................................................................................... 60R

Figure 2-8 : Distribution du flux avec une seule phase alimenté ............................................. 61R

Figure 2-9 : Distribution de flux dans le moteur complet ........................................................ 61R

Figure 2-10 : Amplitude de l"induction dans l"entrefer ........................................................... 62R

Figure 2-11 : Géométrie de tête de bobine ............................................................................... 62R

Figure 2-12 : Distribution du flux dans le dispositif sans secondaire ...................................... 64R

Figure 2-13 : Coefficient de couplage entre les trois phases obtenu avec le MEF 2D ............ 64R

Figure 2-14 : Distribution de courant de Foucault en MEF 2D ............................................... 65R

Figure 2-15 : Etude du coefficient TK ..................................................................................... 66R

Figure 2-16 : Chemin d"intégration de la force ........................................................................ 67R

Figure 2-17 : Force de poussé en fonction de l"entrefer........................................................... 67R

Figure 2-18 : Distribution du flux avec une phase alimenté .................................................... 68R

Figure 2-19 : Distribution du flux avec deux primaires alimentés ........................................... 68R

Figure 2-20 : Distribution des courants de Foucault dans le secondaire .................................. 68R

Figure 2-21 : Distribution des courants de Foucault pour quatre positions ............................. 69R

Figure 2-22 : Etude du coefficient de couplage avec le modèle 3D ........................................ 70R

Liste des figures

9

Figure 2-23 : Force de poussé en fonction de l"entrefer dans MEF 3D ................................... 71R

Figure 2-24 : Comparaison du coefficient du couplage ........................................................... 72R

Figure 2-25 : Comparaison de la force de poussée .................................................................. 73R

Figure 2-26 : Cycle d"hystérésis d"un matériau magnétique .................................................... 75R

Figure 2-27 : Explication de la génération de courant de Foucault ......................................... 76R

Figure 2-28 : Solide homogène ................................................................................................ 76R

Figure 2-29 : Distribution de la température dans un primaire ................................................ 79R

Figure 2-30 : Distribution de la température au milieu du primaire ........................................ 79R

Figure 2-31 : Principe de couplage entre modèle magnétique et modèle thermique ............... 80R

Figure 2-32 : Convergence des pertes Joule du modèle couplé ............................................... 81R

Figure 2-33 : Convergence de la température du modèle couplé ............................................. 81R

Figure 2-34 : Convergence de la force de poussé du modèle couplé ....................................... 82R

Figure 2-35 : Densité de flux dans l"entrefer en fonction de la vitesse du secondaire ............. 84R

Figure 2-36 : Caractéristique mécanique de la machine .......................................................... 85R

Figure 2-37 : Modélisation EF 3D d"un frein linéaire ............................................................. 86R

Figure 2-38 : Performance du frein linéaire ............................................................................. 86R

Figure 3-1 : Construction d"un modèle de substitution ............................................................ 92

R

Figure 3-2 : Plan factoriel complet ........................................................................................... 95R

Figure 3-3 : Plans de criblage classique avec des points réduits .............................................. 95R

Figure 3-4 : Carré latin aléatoire 3 dimensions et les projections sur 2 dimensions ................ 96R

Figure 3-5 : Modèle polynomial linéaire, quadratique, cubique ............................................ 100R

Figure 3-6 : Modèles RBF ...................................................................................................... 102R

Figure 3-7 : Modèle Kriging .................................................................................................. 104R

Figure 3-8 : Comparaison sur les trois modèles ..................................................................... 105R

Figure 4-1 : Construction d"un modèle de substitution .......................................................... 110

R

Figure 4-2 : Variables géométriques du problème d"optimisation ......................................... 113R

Figure 4-3 : Comparaison du temps de construction et d"évaluation ..................................... 113R

Figure 4-4 : Comparaison de la précision des trois modèles par rapport au MEF 2D ........... 114R

Figure 4-5 : Front de Pareto obtenu par ODMS sur modèle de Kriging ................................ 115R

Figure 4-6 : Processus de conception d"un moteur électrique................................................ 117R

Figure 4-7 : Caractéristique de fonctionnement du moteur d"un tramway ............................ 118R

Figure 4-8 : Problème de conception optimale ...................................................................... 120R

Figure 4-9 : Comparaison géométrique entre la solution optimale et initiale ........................ 121R

Figure 4-10 : Force de poussée en fonction de la vitesse pour différentes alimentations ...... 121R

Figure 4-11 : Présentation de l"effet des deux termes de la pseudo-distance ........................ 123R

Figure 4-12 : Organigramme de MEGO ................................................................................ 124R

Figure 4-13 : Comparaison des Fronts de Pareto d"ODMS et MEGO ................................... 125R

Figure 4-14 : Front de Pareto d"optimisation de trois objectifs et les projections dans l"espace

2D ........................................................................................................................................... 126

R

Figure 4-15 : Relation entre front 3D et front 2D .................................................................. 126R

Figure 4-16 : Organigramme d"OSM ..................................................................................... 129R

Figure 4-17 : Exemple A sur OSM 2n ................................................................................... 131R

Figure 4-18 : Exemple B sur OSM 2n .................................................................................... 132R

Figure 4-19 : Exemple C avec l"OSM 2n ............................................................................... 133R

Figure 4-20 : Exemple D sur OSM 3n ................................................................................... 134R

Figure 4-21 : Variables géométrique du problème d"optimisation ........................................ 138R

Figure 4-22 : Organigramme de la stratégie d"optimisation proposée ................................... 139R

Liste des figures

10 Figure 4-23 : Front de Pareto 3D des modèles de substitution, Sélection des 10 points bien

répartis sur le front ................................................................................................................. 142

R Figure 4-24 : Front de Pareto 3D du problème d"optimisation du LIM, obtenu en utilisant le

modèle multi-physique ........................................................................................................... 145

R Figure 4-25 : Comparaison géométrique entre la solution initiale et la solution optimale

proposée ................................................................................................................................. 146

R

Liste des tableaux

11

1634[A46[3LO_4L08[

R

Tableau 1-1 : Applications des moteurs linéaires sur des rails ............................................... 25

Tableau 1-2 : Avantages du métro à moteur linéaire .............................................................. 27

Tableau 1-3 : Comparaison entre les Maglev et trains traditionnels ....................................... 32

Tableau 2-1 : Comparaison de l"inductance entre EF2D, EF3D et la mesure ........................ 72

Tableau 2-2 : Comparaison du coefficient de couplage .......................................................... 72

Tableau 2-3 : Conductivité thermique des différents matériaux ............................................. 79

Tableau 2-4 : Comparaison des modèles ................................................................................. 82

Tableau 3-1 : Comparaison entre différents modèles polynomiaux...................................... 100

Tableau 4-1 : Comparaison entre différents modèles de substitution et le EF 2D ................ 113

Tableau 4-2 : Erreur des modèles de substitution par rapport au EF 2D .............................. 114

Tableau 4-3 : Résultats du dimensionnement ....................................................................... 120

Tableau 4-4 : Comparaison entre l"exemple C et l"optimisation directe sur le modèle fin .. 133

Tableau 4-5 : Comparaison entre différents modèles et le banc d"essais .............................. 135

Tableau 4-6 : Erreur des modèles par rapport aux essais ...................................................... 135

Tableau 4-7 : Solution optimale ............................................................................................ 136

Tableau 4-8 : Nombre d"évaluation des modèles .................................................................. 136

Tableau 4-9 : Décomposition du temps d"optimisation ........................................................ 143

Tableau 4-10 : Critère de validation ....................................................................................... 144

Tableau 4-11 : Solution optimale proposée et comparée à la solution initiale....................... 145

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Nomenclature

16

Réfrencsf eébilélrogab

36
46

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3 6 6 CHAPITRE 1 : Moteur Linéaire pour la Traction Ferroviaire ................................... 19

I. Introduction ....................................................................................................................... 22

II. Utilisation des moteurs linéaires dans les systèmes ferroviaires ................................. 23

II.1. Trains traditionnels avec roues ................................................................................................. 23

II.1.a. Histoire des applications ................................................................................................... 23

II.1.b. Avantages et inconvénients ............................................................................................... 26

II.2. Système à lévitation magnétique (Maglev) ............................................................................... 27

II.2.a. Le système de propulsion .................................................................................................. 27

II.2.b. Le développement du Maglev ........................................................................................... 28

II.2.b.i. Lévitation électromagnétique ..................................................................................... 29

II.2.b.ii. Lévitation électrodynamique ..................................................................................... 30

II.2.c. Avantages et inconvénients ............................................................................................... 32

II.3. Frein linéaire ............................................................................................................................. 33

II.4. Projets actuels ........................................................................................................................... 34

III. Presentation du moteur lineaire ................................................................................... 35

III.1. Principe de base ....................................................................................................................... 35

III.2. Structure et classement ............................................................................................................ 36

IV. Etat de l"art en modélisation et en conception optimale ............................................. 38

IV.1. Différentes démarches de conception...................................................................................... 38

IV.2. Les modèles............................................................................................................................. 40

IV.2.a. Modèle analytique ........................................................................................................... 40

IV.2.b. Modèle numérique (éléments finis) ................................................................................. 40

IV.2.c. Modèle intermédiaire ....................................................................................................... 41

IV.2.d. Comparaison entre les différents modèles ....................................................................... 41

IV.3. Formulation mathématique du problème d"optimisation ........................................................ 42

IV.3.a. Différentes expressions du problème d"optimisation....................................................... 42

IV.3.a.i. Problème d"optimisation continue sans contrainte : ................................................. 42

IV.3.a.ii. Problème d"optimisation continue avec contrainte : ................................................ 43

IV.3.a.iii. Problème d"optimisation multi-objectif .................................................................. 43

IV.3.b. Front de Pareto ................................................................................................................ 45

IV.4. Résolution du problème d"optimisation multi-objectif ........................................................... 46

IV.4.a. Méthode de Pondération .................................................................................................. 46

IV.4.b. Méthode Epsilon-Contrainte ........................................................................................... 47

IV.4.c. L"algorithme NSGA-II .................................................................................................... 48

V. Conclusion ........................................................................................................................ 49

336
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