Couplage magnéto-thermique : en quelques mots

Définition

Le couplage magnéto-thermique consiste à prendre en compte l'interdépendance entre les phénomènes magnétiques et thermiques. Les logiciels s'envoient mutuellement les résultats afin qu'ils soient pris en compte dans chaque simulation.

Les besoins

Pour les dispositifs électriques tels que les moteurs, la contrainte sur la réduction de la taille et l'optimisation de l'efficacité impose d'avantage l'étude thermique en parallèle à l'étude magnétique, les deux étant interdépendants.

L'impact de la température est notable sur les pertes, et peut avoir des conséquences problématiques sur la durée de vie du matériel : destruction des isolants des bobinages ou démagnétisation de l'aimant etc.

De plus, l'étude thermique est souvent complexe (par exemple : la modélisation des échanges thermiques au niveau de l'entrefer d'un moteur lors de la rotation du rotor, calcul des coefficients thermiques etc.) et cela nécessite un logiciel dédié à la thermique et à la mécanique des fluides.

C'est pourquoi le couplage entre Flux, logiciel magnétique dédié, et STAR-CCM+ (ou Fluent), logiciel thermique dédié, représente la meilleure solution pour optimiser la précision des résultats.

STAR-CCM+ & Fluent

STAR-CCM+ appartient à la société CD-adapco et Fluent à Ansys.

Il s'agit de logiciels de modélisation thermique de type CFD ( computational fluid dynamics , ou mécanique des fluides numérique « MFN » en français).

L'avantage du CFD est la modélisation précise des points chauds du dispositif, ce qui n'est pas possible avec un outil thermique analytique (utilisant des circuits thermiques équivalents).

Ils permettent de modéliser les transferts de chaleur et les écoulements de fluide, et proposent un environnement dédié à la thermique : choix du mode de refroidissement et des données d'entrées sur les coefficients d'échange (conduction, convection et radiation).

A noter que dans ces logiciels CFD, la modélisation thermique est en général faite en 3D, alors que les études magnétiques peuvent éventuellement être plus simplement réalisées en 2D. Un exemple de cosimulation Flux 2D – Star-CCM+ est d'ailleurs fourni via le superviseur de Flux (voir l'exemple « Co-simulation Flux/Star-CCM+ »).

Figure 1. STAR-CCM+
Figure 2. Fluent

AcuSolve

AcuSolve est un solveur CFD généraliste faisant partie de la suite HyperWorks de Altair. Contrairement à d'autres outils CFD, AcuSolve est basé sur la méthode des éléments finis lui permettant d'être étroitement intégré à d'autres technologies FEA (Finite Element Analysis) pour résoudre des interactions de fluide-structure complexes et des problèmes de multi-physiques, avec Flux notamment.

Afin de répondre aux besoins de couplage magnéto-thermique, cités précédemment, un couplage fort / cosimulation entre Flux et AcuSolve est en cours de développement.

En attendant ce couplage fort, il est possible maintenant d'exporter à partir de Flux 3D des données interprétables par AcuSolve.

Mise en place des couplages

  • La couplage Flux-STAR-CCM+ a été développé grâce à une étroite collaboration entre les équipes travaillant sur les deux logiciels. Cela a permis de construire des interfaces dédiées, facilement manipulables par l'utilisateur.
  • Le couplage Flux-Fluent a été mis en place en utilisant les possibilités existantes dans Fluent pour échanger des données. Aucune interface dédiée n'a donc été faite, et l'utilisateur a besoin d'avoir des connaissances avancées en programmation pour permettre la communication des deux logiciels.

Couplage Flux magnétique-Flux thermique

Il est également possible de coupler un projet Flux magnétique avec un projet Flux thermique, grâce à la même méthode que celle utilisée pour le couplage avec STAR-CCM+ et Fluent.

Dans les versions précédentes de Flux, ce couplage fonctionnait avec des scripts python à écrire. Maintenant il est réalisable en passant par les boites de dialogue de Flux et grâce à la nouvelle méthode d'échanges complètement automatisée.

Ce couplage magnéto-thermique Flux-Flux est accessible pour les modules :

  • 2D
  • 3D
  • PEEC (uniquement en magnétique et forcement couplé à un modèle thermique 3D) *

*Flux PEEC est un des modules de Flux (introduit à partir de la version 2018) ; il est basé sur la méthode numérique PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) et permet d'étudier, entre autres, la distribution du courant et donc des pertes au sein de structures complexes d'électrotechnique et d'électronique de puissance.