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Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG (26/09/2003), Afef LEBOUC (Dir.)
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Caractérisation et modélisation des pertes magnétiques d'une machine asynchrone fonctionnant en charge
Alban Marino1

La consommation importante de nos réserves énergétiques mondiale ainsi que la sensibilisation actuelle aux problèmes d'écologie imposent aux fabricants d'augmenter le rendement de leurs systèmes électromécaniques. L'étude menée dans ce rapport s'intéresse au calcul des pertes magnétiques, méconnues bien que représentant une part non négligeable dans les bilans de puissance. Pour ce faire, nous avons astucieusement instrumenté magnétiquement et thermiquement une machine asynchrone. Ceci nous permet de localiser et d'étudier l'évolution des inductions lors de conditions de fonctionnements variées. A cette fin, un banc d'essai nous permettant d'agir sur divers paramètres (tension, fréquence, couple) a été réalisé. Dans le même temps, une modélisation numérique fine du système est menée avec le logiciel Flux2D. Elle intègre le maximum de phénomène électrique et mécanique : alimentation, cage d'écureuil, effets de bord, température des conducteurs, mouvement du rotor. La cartographie magnétique ainsi obtenue est comparée et validée par rapport aux résultats issus de l'instrumentation. Un modèle de calcul d'hystérésis dynamique basé sur la connaissance de l'induction et de sa dérivée temporelle est ensuite appliqué à chaque élément du maillage. Ce dernier permet une représentation fidèle des phénomènes magnétiques statiques et dynamiques des tôles. Validé sur des geometries simples pour différentes formes d'ondes, il est ici appliqué au cas complexe d'une machine tournante. Les résultats obtenus à vide comme en charge confirment ses performances vis-à-vis des modèles utilisés actuellement dans l'industrie.
1:  G2ELab - Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble
Machine à induction – Instrumentation magnétiques et thermiques – Bilan de puissance – Modélisation par éléments fins – Modèle d'hystérésis dynamique – Pertes fer.

The significant consumption of the world's energy supplies as well as the current awareness of ecological problems leads the manufacturers to increase the efficiency of electromechanical systems. The study undertaken in this report concerns the calculation of magnetic losses in electrical machines. Magnetic losses are not well known although they represent an important part of the power balance. With this intention, we cleverly instrumented an induction machine both magnetically and thermally. This enabled us to locate and study the evolution of flux densities inside the machine, for different operating conditions. For this purpose, a test bench enabling us to act on various parameters (voltage, frequency, torque) was set up. At the same time, a refined numerical modeling of the system is carried out with the finite element Flux2D software. It integrates electric and mechanical phenomena: voltage supply, squirrel-cage, end effects, conductor temperature, rotor motion. The magnetic distribution obtained is then compared to (and validated by) the instrumentation results. A model of dynamic hysteresis calculation, based on the knowledge of induction and of its time derivative, is then applied to each element of the grid. This model, developed in collaboration with the GIRTOM and CEDRAT company, allows a faithful representation of the static and dynamic magnetic phenomena of the sheets. Validated with simple geometries under various wave forms, it is here applied to the complex case of a rotating machine. The results obtained, with and without load, confirm its performances with respect to the models currently used in industry.
Induction machine – Magnetic and thermal instrumentation – Power balance – Finite element modeling – Dynamichysteretic mode – Iron loss prediction