Machines électriques tournantes - Simulation du comportement thermique

Le fonctionnement d’une machine électrique tournante est fortement conditionné par son environnement extérieur et son mode de fabrication. Les conditions ambiantes sont très fluctuantes selon l’utilisation du moteur (températures, humidité...). Des fluctuations plus ou moins brutales de charge créent des échauffements particulièrement nocifs aux parties sensibles des machines. Il peut s’agir notamment des isolants de bobinages, des paliers de roulement, des collecteurs (machines à courant continu) voire des aimants (inducteurs des moteurs à aimants permanents). L’apparition de nouvelles alimentations ainsi que l’augmentation des puissances massiques imposent de pouvoir prédire, au mieux, le comportement thermique de ces machines.

Le développement d’un outil de simulation thermique nécessite de quantifier, séparer et localiser les différentes sources de chaleur internes génératrices d’échauffements. Cet aspect, à l’instar des conditions aux limites (flux et/ou températures), ne peut être pris en compte qu’au travers de phases expérimentales. La validation de tels outils numériques demande une bonne connaissance des modes de transferts internes à la machine. Les trois modes fondamentaux sont à considérer lors des analyses thermiques fines. Ils peuvent toutefois être pris globalement pour des études plus appliquées et moins fondamentales. Il convient cependant de connaître l’ensemble des paramètres thermophysiques propres à la machine étudiée (masses volumiques, capacités thermiques massiques et conductivités).

Les méthodes d’analyse numérique couramment utilisées sont initialement les méthodes nodales. Elles sont actuellement relayées par des méthodes plus globales comme les éléments finis. Cette dernière méthode en plein essor est fréquemment développée sur un plan thermique. Une des évolutions actuelles est son couplage faible ou fort avec les problèmes électriques et/ou magnétiques. De même, concernant l’aspect thermique, des processus couplant les problèmes conductifs, convectifs et rayonnants sont envisagés par éléments finis bien que déjà réalisés sous une forme globale (conservation du flux) à l’aide des méthodes nodales plus anciennes. Enfin, pour conclure cette introduction, la prise en compte du comportement dynamique des moteurs est actuellement en cours de développement par éléments finis.