Flux Skew

Flux Skew est un module dédié à l'analyse des machines électriques tournantes avec vrillage, permettant une description géométrique et physique simple en 2D et la prise en compte des effets du vrillage, continu ou en escaliers.

Introduction : Principe de vrillage dans les machines électriques

Le vrillage est une technique d'assemblage des tôles qui correspond à incliner la géométrie des encoches du circuit magnétique d'une machine électrique tournante par rapport à sa direction axiale. Le vrillage est généralement effectué dans le rotor, mais les encoches du stator peuvent également être inclinées dans certaines conceptions. La Figure 1 montre un rotor de machine asynchrone avec encoches inclinées.
Figure 1. Rotor d'un moteur asynchrone avec encoches inclinées et cage d'écureuil (a), ainsi que sa représentation plane mettant en évidence l'angle d'inclinaison α (b).

On peut considérer que le vrillage consiste à répartir les conducteurs dans les encoches avec un certain angle et sur le long de la machine. Par conséquent, le vrillage peut être vu comme une forme de distribution des enroulements, qui peut être appliquée soit aux barres d’une cage d’écureuil d’une machine à induction, soit aux vraies bobines dans d’autres types de machines.

Dans le contexte de design d'une machine à aimants permanents, une technique spéciale de vrillage en "escaliers" est aussi employée. Cette technique consiste à modifier la position angulaire de chaque aimant suivant la direction axiale de la machine et donc à découper la machine en plusieurs "tranches" droites comme vu dans la Figure 2.
Figure 2. Rotor d'une machine à aimants permanents (a) ainsi que sa représentation plane mettant en évidence l'angle d'inclinaison α (b).

Le vrillage en escalier des aimants et le vrillage continu pour les encoches sont deux procédures de conception qui modifient la distribution spatiale de la force magnétomotrice dans l'entrefer dans la longueur de la machine. L'objectif est d'améliorer certains aspects de la performance de la machine en réduisant voire en éliminant certaines harmoniques spatiales indésirables du flux magnétique. En pratique, une conception de machine vrillée présentera généralement :

  • un couple de détente plus faible,
  • une diminution de bruit et des vibrations et
  • une réduction de la distorsion harmonique des forces électromotrices induites dans ses bobinages
en comparaison avec une machine non vrillée.

Qu'est-ce que Flux Skew ?

Comme vu dans le paragraphe ci-dessus, la section d'une machine électrique vrillée change dans la direction axiale. Par conséquent, cette catégorie de machines ne peut pas être correctement représentée dans un projet Flux 2D. D'autre part, représenter une machine vrillée dans Flux 3D peut être laborieux ou chronophage et le projet qui en résulte peut nécessiter des ressources informatiques supplémentaires pour être résolu.

Le module Flux Skew a été conçu pour contourner ces problèmes de modélisation. Ses principales caractéristiques et principes d'utilisation sont présentés ci-dessous :
  • Flux Skew est similaire à Flux 2D pendant les étapes de prétraitement et permet une description simple de la géométrie et de la physique de la machine électrique en deux dimensions, basée uniquement sur l'une de ses sections transversales (Figure 3).
  • Après résolution et en post-traitement, Flux Skew est similaire à Flux 3D et permet l'exploitation de grandeurs physiques dans une représentation graphique tridimensionnelle de la machine vrillée (Figure 3).
  • Le passage d'une description 2D de la machine à l'analyse 3D des résultats est possible grâce aux applications physiques spécialisées fournies par Flux Skew, qui prennent en compte les effets venant du vrillage.
Figure 3. Environnement de prétraitement similaire à Flux 2D (a). La représentation graphique 3D en cours de post-traitement (b). Cet exemple montre le calcul de la densité de courant dans les barres d'une cage d'écureuil d'un rotor vrillé d'une machine asynchrone.
Plus précisément, lors de la création d'une nouvelle application, Flux Skew demande des informations géométriques supplémentaires liées au vrillage. Ces données complémentaires permettent à Flux Skew de résoudre une série de problèmes éléments finis 2D, chacun associé à une "tranche" de la machine vrillée. Flux Skew construit une représentation 3D de la machine et ensuite entame la résolution des problèmes 2D.

Flux Skew est un outil puissant pour la conception et l'analyse de machines vrillées, et peut être utilisé efficacement avec ses outils d'export de données natifs et d'autres solveurs Altair dans le contexte d'applications vibroacoustiques (NVH : noise, vibration and harshness).

Les applications magnétiques de Flux Skew

Comme déjà mentionnée, la description du projet dans Flux Skew est effectuée dans un environnement similaire à Flux 2D. Une différence remarquable entre Flux Skew et Flux 2D réside dans la disponibilité des applications physiques. Dans Flux Skew, seules les applications magnétiques suivantes existent :
  • Machine Tournante (modèle hélicoïdal) en Magnéto Statique ;
  • Machine Tournante à Induction (modèle hélicoïdal) en Magnéto Harmonique ;
  • Machine Tournante (modèle hélicoïdal) en Magnétique Transitoire.
Ces applications sont équivalentes à leurs homologues Flux 2D, mais leurs noms sont légèrement modifiés pour souligner le fait qu'elles sont adaptées aux machines électriques vrillées.

Vrillage continu et vrillage en escaliers

Les deux types de vrillage présentés dans l'Introduction sont disponibles pour chaque application : le vrillage continu (Figure 1) et le vrillage en escaliers (Figure 2). De plus amples informations sur la définition du vrillage (y compris des exemples) sont fournies dans les chapitres suivants :

Spécificités du module Flux Skew

Les utilisateurs habitués avec Flux 2D et Flux 3D ne devraient pas rencontrer de difficultés avec l'usage général de Flux Skew. Ce dernier module comporte néanmoins certaines spécificités, qui sont détaillées dans les chapitres suivants :

Lecture complémentaire