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Brushless dc (BLDC) motors are preferred as small horsepower control motors due to their high efficiency silent operation compact form reliability and low maintenance However the problems are encountered in these motor for variable speed operation over last decades continuing technology development in power semiconductors microprocessors
Modélisation des moteurs BrushLess Préambule - sitelecorg
Ce document a pour but d'expliquer le fonctionnement des moteurs Brushless leur modélisation et leur commande dans le cadres des systèmes asservis Il a été écrit pour les professeurs ayant une culture scientifique solide dans les champs de la
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des moteurs à courant continu à commutation électronique A?n d’obtenir une vitesse de déplacement maximale nous utilisons deux mo-teurs Maxon brushless de 20W De tels moteurs ont l’avantage de ne pas utiliser un dipositif mécanique de commutation par balais et collecteurs
# Hypothèses
Considérons un véhicule à roues qui monte un plan incliné : Considérons les caractèristiques du véhicule à roues illustré sur la figure ci-dessus : 1. m : poids en [Kg], 2. D : diamètre des roues en [m], 3. v : vitesse maximum du véhicule en [m.s?1], 4. a : accélération maximum du véhicule en [m.s?2], 5. ? : angle de la plus grande pente positive q...
# Vitesse Angulaire
Commençons par calculer la vitesse angulaire de la roue : (1)?wheel[rad.s?1]=2vD La vitesse angulaire du moteur est données par : (2)?motor[rad.s?1]=R×?wheel=R×2vD Les vitesse angulaires converties en tours par minute peuvent aisément être calculéesgrâce à cette formule: (3)?wheel[rpm]=60.vD.? (4)?motor[rpm]=R.60.vD.?
# Couple Sur l'axe Des Roues
Le couple est un peu plus technique à calculer. Le principe fondamental de la dynamiquenous donne : (5)?Fi?=m.a? Les forces agissant sur le véhicule sont la gravité et la propulsion. La forceinduite par la gravité est FGravity?=m.g?. Lorqu'elleest projeté sur l'axe de déplacement du véhicule (voire la figure ci-dessus),la force induite par la gravi...
# Couple Sur L'arbre Moteur
En considérant les caractéristiques du réducteur, l'équation devient : (10)?motor=?wheelR.?=m.D.(a+g.sin(?))2.N.R.?
# Puissance Du Moteur
La puissance produite par le moteur est donnée par le produit de la vitesse angulairepar le couple sur l'arbre moteur. Nous pouvons donc calculer la puissance minimalnécessaire du moteur : (11)Pmotor=?motor.?motor=m.v.(a+g.sin(?))N.?
# Téléchargement
Vous trouverez ci-dessous un script Matlab qui permet de calculer lescaractèristiques du moteur, ainsi qu'un lien vers un calculateur en ligne.Ces deux ressources s'appuient sur les équations présentées ci-dessus. sizing-motor.m Dimensionner un moteur en ligne
Pourquoi les moteurs brushless sont-ils incontournables dans les systèmes modernes ?
Si la partie commande impose un angle ? non nul, un couple non nul apparaîtra et conduira à une accélération. Conclusion Les moteurs brushless deviennent incontournables dans les systèmes modernes. Les professeurs de SII ont tout intérêt à acquérir une compréhension raisonnable du fonctionnement et de la modélisation de cet actionneur.
Qu'est-ce que le moteur brushless ?
Le moteur brushless fonctionne à partir de trois sources de tensions variables, fournies par un onduleur, et permettant de générer un champ magnétique tournant. Le rotor, généralement équipé d'un aimant permanent, tend à suivre le champ magnétique tournant. La figure 2 montre l'architecture du moteur et de son onduleur. 4/46
Quelle est la fréquence de commutation d'un moteur brushless ?
Souvent la fréquence du hacheur (de l'ordre de 20 kHz) sera bien supérieure à celle de la commutation. Néanmoins, les moteurs brushless pouvant atteindre des vitesse élevées, de l'ordre de 10 000 tr/min, il est possible que la fréquence de commutation devienne du même ordre de grandeur que celle du hacheur. 26/46
Est-ce que les moteurs brushless peuvent être modélisés par un moteur à courant continu équivalent ?
Par ailleurs, les moteurs brushless peuvent, sous certaines conditions simplificatrices, être modélisés par un moteur à courant continu équivalent. La réalité technologique ne doit cependant pas être ignorée : les applications modernes mettent en œuvre des moteurs brushless et il sera de plus en plus difficile d'en faire abstraction.
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THÈSE de DOCTORAT
de L'ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHANSPECIALITE : ÉLECTROTECHNIQUE
PRÉSENTÉE PAR :
Nicolas BERNARD
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR DE L'ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHANSujet de la thèse :
CONCEPTION, DIMENSIONNEMENT ET COMMANDE
D'UN MOTEUR/GÉNÉRATEUR SYNCHRONE
À EXCITATION HOMOPOLAIRE ET À BOBINAGES DANSL'ENTREFER
POUR ACCUMULATEUR ÉLECTROMÉCANIQUE
D'ÉNERGIE
Soutenue le 17 décembre 2001 devant le jury composé de Messieurs :J.M. KAUFFMANN Président
F. PIRIOU Rapporteur
S. ALLANO Examinateur
H. BEN AHMED Examinateur
J. DELAMARE Examinateur
B. MULTON Examinateur
LABORATOIRE D'ÉLECTRICITÉ, SIGNAUX ET ROBOTIQUE (LESiR UPRESA CNRS 8029) Antenne de Bretagne de l'ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHANCampus de Ker Lann - 35 170 BRUZ
REMERCIEMENTS
A l'heure où je rédige ces quelques lignes dédiées à tous ceux qui, de près ou de loin, ont
accompagné mes travaux de recherche, mes premières pensées vont à Bernard MULTON et Hamid
BEN AHMED. Leur encadrement sans failles marqué par un dévouement sincère, un esprit critique
très constructif et une bonne humeur constante, a été un encouragement précieux tout au long de mon
parcours doctoral. Pour tous leurs enseignements, pour leur efficacité et leur gentillesse donc, un grand
merci à eux. Nazaire) d'avoir accepté la lourde charge de rapporter cette thèse. Que Messieurs Sylvain ALLANO (Cachan), Jérôme DELAMARE (Grenoble) et Jean MarieKAUFFMANN (Belfort) soient également remerciés pour leur participation active et constructive à
mon jury de thèse.Les travaux présentés dans ce mémoire sont le fruit d'un travail d'équipe où les collaborations
et les échanges scientifiques ont été nombreux, chaleureux et toujours bénéfiques. Que Pierre
Emmanuel CAVAREC et Olivier GERGAUD, tous deux doctorants à mes côtés, soient pour celaremerciés. Je citerais aussi Corentin KERZREHO, désormais professeur agrégé à l'INSA de Rouen et
Dominique MILLER, professeur agrégé à l'Antenne de Bretagne de l'ENS de Cachan, notreincontournable chercheur bénévole dont la disponibilité, l'efficacité et la gentillesse m'ont apporté une
aide précieuse. Je n'oublierai pas non plus les indispensables techniciens qui se sont relayés dans notre établissement, Gaëtan BELLEC, Nicolas BODIN, Vincent GUYOMARD et Damien FOUBERT. Ilsont toujours su répondre avec efficacité et dévouement à mes attentes. Merci aussi à Michel
LECRIVAIN, ingénieur électromécanicien de Cachan pour ses réalisations mécaniques. Enfin, et pour n'oublier personne, je citerai tout le personnel (enseignant et administratif) de l'Antenne de Bretagne l'ENS de Cachan.Et puisque la vie d'un scientifique ne se résume pas qu'à s'extasier devant la beauté d'un champ
magnétique, j'aimerais associer à mon travail mes amis les plus chers. Je pense d'abord à Marie FRENEA et Katell COZIC, doctorantes à l'Antenne, qui ont toujoursété présentes à mes côtés.
Une pensée également pour Armelle, Ronan, Steven et Erwan, une fine équipe de joyeux chercheurs... Je n'oublie pas non plus Coralie VACHER et Julia MARION mes deux biologistes et amphitryons préférées.Une dernière pensée, enfin, pour Nelly.
SOMMAIRE
CHAPITRE 1 : SYSTÈÈÈÈMES DE STOCKAGE ÉÉÉÉLECTROMÉÉÉÉCANIQUES ETÉÉÉTAT DE L'ART.................................................................................
1.1 Le stockage de l'énergie.................................................................
1.1.1 Les modes de stockage de l'énergie - Éléments de comparaison......
1.1.2 Le stockage électromécanique d'énergie et ses applications
1.2 L'accumulateur électromécanique d'énergie..........................................
1.2.1 Présentation des composantes d'un dispositif de stockage
électromécanique d'énergie.................................................1.2.2 Caractéristiques énergétiques d'un accumulateur électromécanique
1.2.3 État de l'art dans les convertisseurs électromécaniques pour le
stockage inertiel...............................................................1.3 Le projet ENS-LESiR...................................................................
1.4 Choix du type de motorisation et d'une topologie d'actionneur....................
1.4.1 Principe de fonctionnement.................................................
1.4.2 Le bobinage....................................................................
1.4.3 Les disques dentés............................................................
1.4.4 Les paliers magnétiques......................................................
CHAPITRE 2 : MODÉLISATION ET DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR/GÉNÉRATEUR .....................................................................2.1 Première étude à partir d'une maquette à bobinage monophasé filaire...........
2.1.1 Analyse 3-D.....................................................................
2.1.2 Modélisation 2-D semi-analytique au rayon moyen........................
2.2 Conception et réalisation du bobinage circuit imprimé.............................
2.2.1 Contraintes.......................................................................
2.2.2 Technologies de fabrication existantes.......................................
2.2.3 Principe de dimensionnement.................................................
2.3 Résistances du bobinage.................................................................
1 4 5 6 6 7 10 10 10 14 18 20 20 2323
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2.3.1 Définition des paramètres......................................................
2.3.2 Modèle résistif continu du bobinage de l'inducteur........................
2.3.3 Modèle résistif continu du bobinage de l'induit.............................
2.4 Modèle inductif..........................................................................
2.4.1 Machines cylindriques à entrefer constant (Cas élémentaire d'une
machine à une encoche par pôle et par phase)..............................2.4.2 Machines cylindriques à pôles saillants .....................................
2.4.3 Notion de perméance superficielle............................................
2.4.4 Machines de type discoïde.....................................................
2.5 Modèle de pertes magnétiques..........................................................
2.5.1 Pertes créées par un champ extérieur.........................................
2.5.2 Pertes créées par champ propre................................................
2.5.3 Pertes créées par champs extérieur et propre en même temps............
2.6 Modèle thermique........................................................................
2.6.1 Modélisation élémentaire des échanges thermiques avec l'air par
convection uniquement........................................................2.6.2 Amélioration possible des échanges thermiques par conduction........
CONCLUSION
CHAPITRE 3 : ALIMENTATION ET COMMANDE....................................3.1 Essais de commande en mode synchrone.............................................
3.1.1 Modèle simplifié de la machine synchrone et validation..................
3.1.2 Commande en mode synchrone dans le repère " abc "....................
3.1.3 Commande en mode synchrone dans un repère " dq estimé".............
3.2 Autopilotage simplifié...................................................................
3.2.1 Mise en oeuvre ..................................................................
3.2.2 Expérimentation................................................................
3.3 Commande à rendement optimal. ...................................................
3.3.1 Les modèles de pertes..........................................................
3.3.2 Recherche des pertes minimales sur une machine synchrone à
excitation bobinée..............................................................3.3.3 Fonctionnement à pertes minimales..........................................
CONCLUSION
CHAPITRE 4 : OPIMISATION DE L'ACTIONNEUR...................................4.1 Optimisation d'une machine cylindrique "sinus élémentaire " sans encoches...
4.1.1 Expression du couple électromagnétique....................................
4.1.2 Expression des pertes Joule....................................................
4.1.3 Expression des pertes magnétiques..........................................
4.1.4 Optimisation à volume constant et pertes Joule uniquement..............
4.1.5 Optimisation à volume constant et prise en compte des pertes
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