Analyse Thermique 3D d'un Alternateur à Griffes : Modélisation, Simulation et Identification Expérimentale de la convection libre du modèle en régime thermique établi.
Résumé
Heating of electrical machines is a key characteristic of their behavior, limits and resistance. Heat sources come mainly from energy losses during electromechanical conversions (electrical in copper, magnetic in iron and mechanical in bearings). Temperatures changes can be described thanks to thermal conduction, convection and radiation equations. To safely size a machine, it is a must to construct a dedicated model, and to precisely know every physical loss. The aim is so to build a thermal model adapted to the claw pole and self-air-cooled generator. We propose a 16 nodes nodal model, taking all the thermal transfers and space directions into account. It is implemented in Matlab and numerically validated thanks to LTSpice. Measurements without rotation permit to corroborate results in the steady state. Main difficulties concern the nonlinear identification of 15 equivalent conductances, varying with the temperature T. We suggest identifying two thermal exchange coefficients due to free convection in the cavities, one due to free superficial convection, and one due to conduction within the bearings. We then deduce all the unknown conductances from these four physical parameters characterised.
L’échauffement des machines électriques est déterminant pour leur comportement, leurs performances et leur durée de vie. Les sources de chaleur sont les pertes d’énergie dans la conversion électromécanique (les pertes cuivre, lespertes fer et les pertes mécaniques). Les échauffements peuvent être décrits par la conduction, la convection et le rayonnement thermique. Pour dimensionner une machine il est nécessaire de disposer d’un modèle thermique, souvent dédié, et d’une connaissance des pertes séparées. L’objectif de ce travail est d’effectuer cette modélisation adaptée à l’alternateur à griffes auto-ventilé. Nous proposons un modèle nodal à 16 nœuds, tenant compte de tous les modes de transfert de la chaleur dans les trois directions de l’espace. Celui-ci est implémenté sous Matlab et vérifié numériquement à l’aide du logiciel LT-Spice. Des mesures à l’arrêt permettent également de le valider expérimentalement en régime établi. Les principales difficultés concernent la détermination non linéaire de 15 conductances équivalentes variables avec la température T. Nousproposons pour cela d’identifier d’abord trois coefficients d’échanges thermiques par convection libre, dans les cavités et surla surface extérieure, et un coefficient de conduction au niveau des roulements. Il est possible de déduire toutes les conductances inconnues de ces quatre paramètres physiques caractérisés.
