Modélisation électromagnétique par la méthode des transformations conformes d’une machine de traction synchrone à rotor bobiné en vue de l’étude de sources de bruit magnétique

This thesis focuses on the electromagnetic design of the wound salient pole rotor synchronous machine. This machine is used for the traction of electric vehicles made by Renault Group. To ensure comfort and customer satisfaction, electric motors designed for these vehicles must be silent. Thus, understanding and mastering the origins of magnetic noise and its reduction are essential in the pre-design phase of these motors. This research is being carried out within this scope. The purpose of this thesis is explained in the first part of this work, . Then, the origins of magnetic noise in electric motors are discussed. In addition, with a view to have a better understanding of noise and the sensitivity of the human ear to the sounds emitted, the fundamental concepts of acoustics are recalled. In order to choose the design approach of the motor, a state-of-the-art of electromagnetic design methods is presented. These different methods are evaluated on their ability to consider the doubly salient effect of the motor, the magnetic saturation and the shape of the rotor pole. Besides, the simplicity of the approach to be implemented is an additional characteristic. The first scientific contribution of this work is the analytical electromagnetic model of wound salient pole rotor synchronous machine using conformal mapping. This model made it possible to take into account the doubly salient effect of the machine for a vibroacoustic purpose. The radial and orthoradial magnetic stress components which cause the magnetic noise are evaluated and compared with those from finite elements simulations. The second scientific contribution is the consideration of magnetic saturation by the analytical model of the machine. This was achieved by introducing a step function of local magnetic saturation coefficients. These coefficients make it possible to reduce the flux density of the linear model in front of each stator tooth in order to correctly predict the flux density in saturated conditions of the machine. The last part of this work is dedicated to experimental testing. The vibroacoustic experimental analysis of the electric powertrain are presented. Measured acoustic pressure harmonics is compared to magnetic pressure harmonics calculated by the electromagnetic model and finite elements simulations. Different operating points of the machine are studied and the effect of the switching frequency on the main harmonics of magnetic and acoustic pressures is addressed.Les travaux de ce mémoire portent sur la modélisation électromagnétique analytique de la machine synchrone à rotor bobiné (MSRB). Cette machine est utilisée pour la traction automobile des véhicules électriques du constructeur Renault. Afin de conserver les atouts de confort et de satisfaction client, les moteurs électriques conçus pour ces véhicules doivent être silencieux. Ainsi, la compréhension et la maîtrise des origines du bruit magnétique ainsi que sa réduction sont indispensables en phase de prédimensionnement de ces moteurs électriques. C’est dans ce cadre que s’inscrivent ces travaux de recherche. Dans la première partie de ce manuscrit, la problématique de la thèse est exposée. Ensuite, les origines du bruit magnétique dans les moteurs électriques sont abordées. De même, les notions d’acoustique indispensables pour comprendre le rayonnement du bruit et la sensibilité de l’oreille humaine aux sons émis sont rappelées. Afin de choisir l’approche de modélisation de la machine, un état de l’art des méthodes de modélisation électromagnétique de la machine est présenté. Ces différentes méthodes sont évaluées sur leur capacité de modéliser la double saillance de la machine, la saturation magnétique et la progressivité de la forme du pôle de la machine. Sans oublier, les critères de simplicité de mise en œuvre et de souplesse de la méthode. La première contribution scientifique de ces travaux est la modélisation électromagnétique analytique de la machine synchrone à rotor bobiné par la méthode des transformations conformes. Cette modélisation rend possible la prise en compte de la double saillance de la machine pour une finalité vibroacoustique. Les pressions magnétiques radiales et orthoradiales source du bruit magnétique sont évaluées et comparées à celles issues des éléments finis.La seconde contribution scientifique est la prise en compte de la saturation magnétique dans le modèle analytique de la machine. Cela est réalisé en introduisant une fonction d’escalier de coefficients de saturation magnétique. Ces coefficients permettent de corriger le niveau d’induction magnétique du modèle linéaire en face des dents stator afin de prédire correctement le niveau d’induction en saturé. La dernière partie de ces travaux est dédiée aux essais expérimentaux. Les essais vibroacoustiques du GMPé (Groupe Moto Propulseur électrique) sont présentés. L’évolution des harmoniques de pressions acoustiques mesurés est comparée à celle des harmoniques de pressions magnétiques calculées par le modèle électromagnétique et les éléments finis. Différents cas de fonctionnement de la machine sont couverts et l’effet de la fréquence de découpage sur les harmoniques principales de pressions magnétiques et acoustiques est abordé