Analyse des contraintes mécaniques des rotors de machines électriques à haute vitesse
Abstract
The transport industry gathers important constraints, especially in terms of compactness and power density. High-speed machines meet these criteria. However, these machines are subject to more important constraints, both from a mechanical and thermal point of view. This paper proposes a mechanical study of several topologies of electrical machines prone to high-speed operation like machines with solid rotor (homopolar, reluctant and asynchronous machines), or machines with permanent magnets mounted on the surface. At high-speeds, the stresses caused by centrifugal effects on the rotating parts can no longer be neglected, and must be calculated to ensure their integrity. Machines with magnets may require the use of additional mechanical parts. The developed analytical models are compared to simulations using finite element method to ensure their validity. The objective is to have an analytical model to predict the operating speed limit in order to use it in a future multi-physics optimization.
Le domaine du transport présente d'importantes contraintes notamment en termes de compacité et de puissance volumique. Les machines haute vitesse répondent à ces critères. Cependant, ces dernières se retrouvent soumises à des contraintes plus importantes, autant d'un point de vue mécanique que thermique. Cet article propose une étude mécanique de plusieurs topologies de machines électriques enclin au fonctionnement à haute vitesse. Parmi celles-ci on retrouve les machines à rotor massif (machine homopolaire, reluctante et asynchrone), ou les machines à aimants permanents montés en surface. A haute vitesse, les contraintes causées par les effets centrifuges sur les parties tournantes ne peuvent plus être négligées, et doivent être calculées pour assurer leurs intégrités. Les machines à aimants peuvent nécessiter l'utilisation de pièces mécaniques supplémentaires. Les modèles analytiques développés sont comparés à des simulations utilisant la méthode des éléments finis afin d'en assurer leur validité. L'objectif étant de posséder un modèle analytique permettant de prédire la vitesse limite de fonctionnement afin de pouvoir l'utiliser dans une future optimisation multiphysique.
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