Simulation thermique des machines électriques

Eomys a sa disposition les trois grandes méthodes de simulation pour réaliser des calculs thermiques dans les machines électriques

Trois grandes méthodes sont reconnues [1] par la communauté scientifique pour la simulation thermique des machines électriques : la méthode nodale, la simulation par éléments finis ou la simulation CFD. Eomys a à sa disposition ces 3 méthodes qui sont complémentaires : chaque méthode a des niveaux d’approximation et des temps de calculs différents. Par ailleurs, chacune des méthodes peut être utilisée indifféremment pour des calculs 2D ou 3D.

La méthode nodale

La méthode nodale utilise pour simuler la machine un réseau de résistances thermiques en utilisant l’analogie électrique. On a une vue macroscopique des niveaux de température dans la machine : on aura des résultats par éléments (dent du stator, bobinage, encoche, etc.) plutôt que des résultats locaux. On peut utiliser la méthode en régime permanent ou en instationnaire avec des conditions de chargement variables (par exemple, un cycle typique de conduite pour une machine de traction). Son principal avantage est la rapidité de calcul qui en fait une méthode de simulation idéale pour l’optimisation. Pour l’utiliser, il faut connaitre les conditions limites en convection dans la machine pour cela on utilise soit des résultats de la littérature, des résultats d’expérience ou des résultats de simulations fluides plus complexes.

<span lang='fr'>Simulation d'une machine à 6 pôles par méthode nodale</span>
Simulation d’une machine à 6 pôles par méthode nodale

Simulation en conduction par éléments finis

La simulation par éléments finis (FEM) permet la résolution directe de l’équation de la chaleur dans la machine. On a ici accès à toutes les informations locales du champ de température permettant une analyse détaillée des points chauds. On peut réutiliser directement un maillage de simulation électromagnétique pour la simulation thermique. Les temps de calcul sont plus longs que pour la méthode nodale. Par ailleurs, il faut, comme pour la méthode nodale, imposer les conditions limites convectives dans la machine. Il faut là encore utiliser des corrélations provenant de la littérature ou de simulations plus complexes.

<span lang='fr'>Simulation FEM 2D : refroidissement d'un stator par canal d'eau</span>
Simulation FEM 2D : refroidissement d’un stator par canal d’eau

Simulation par CFD

La CFD (Computational Fluid Dynamics) permet de simuler à la fois les écoulements fluides dans la machine et résoudre le champ de température dans la machine. Les maillages sont généralement très fins et dépendent grandement de la vitesse étudiée. Les temps de résolution sont très importants. Son avantage est que l’on n’a pas besoin de faire appel à des corrélations pour obtenir des résultats. Par contre, le niveau d’incertitude sur les résultats reste important et la convergence des calculs n’est pas assurée surtout pour des écoulements très perturbés (écoulements en rotation, fortement turbulents, etc.). Un bon compromis pour la simulation CFD est d’isoler certains éléments clés de la machine et d’injecter les résultats dans un modèle FEM ou nodal de la machine complète. Les calculs CFD ne se font qu’en régime permanent : les temps d’établissement sont très inférieurs à ceux de la thermique qui peuvent atteindre plusieurs heures.

<span lang='fr'>Calcul de l'écoulement et du coefficient de convection dans un canal rotorique</span>
Calcul de l’écoulement et du coefficient de convection dans un canal rotorique
<span lang='fr'>Distribution de l'écoulement et niveaux de température dans un stator avec canaux statoriques</span>
Distribution de l’écoulement et niveaux de température dans un stator avec canaux statoriques

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