Modélisation de la MSAP et de son Alimentation

Depuis longtemps, l’utilisation des moteurs à courant continu (MCC) dans l’industrie offrant le principal avantage d’être facilement commandable grâce au découplage naturel du flux et du couple. Cependant la présence du système balais collecteur a toujours été un grand inconvénient du moteur parmi d’autres qui limitant de plus en plus son utilisation [2]. la fragilité du système balai collecteur a toujours été un inconvénient de la M.C.C, ce qui limite la puissance et la vitesse maximale et présente des difficultés de maintenance et des interruptions de fonctionnement. C’est pour cette raison qu’on a eu intérêt à utiliser des moteurs électriques à courant alternatif afin d’écarter cet inconvénient. Parmi les moteurs à courant alternatif utilisés dans les entrainements à vitesse variable, le moteur synchrone à aimants permanents reste un bon candidat. Son choix devient attractif et concurrent de celui des moteurs asynchrones grâce à l’évolution des aimants permanents qu’ils soient à base d’alliage ou à terre rare. Cela leur a permis d’être utilisés comme inducteur dans les moteurs synchrones offrant ainsi, par rapport aux autres type de moteur, beaucoup davantage, entre autres, une faible inertie et un couple massique élevé [3].

Présentation de la machine synchrone à aimants permanents

Le moteur synchrone est constitué de deux parties, une partie mobile ou rotor constituant l’inducteur, et une partie fixe ou stator portant des enroulements constituant l’induit. La mince zone localisée entre ces deux éléments est appelée entrefer.

Le stator d’une machine synchrone triphasée est constitué de trois enroulements identiques décalés de 120° dans l’espace, logés dans les encoches du circuit magnétique fixe. Ce dernier est feuilleté afin de réduire les courants de Foucault et de limiter les pertes dans le fer. Il est généralement construit en tôle à base d’alliage fer-silicium qui permet l’obtention d’une induction élevée [4].

Au rotor, les enroulements parcourus par un courant continu (dans le cas de la machine à rotor bobiné) sont remplacés par des aimants permanents alternant pôles nord et pôles sud. Le flux inducteur balaye les enroulements statoriques et y induit des forces électromotrices (f.é.m) alternatives. L’interaction des champs statorique et rotorique donne naissance à un couple sur l’arbre du moteur et entraîne le moteur à vitesse de rotation synchrone.

Avantages de la MSAP
Les machines synchrones à aimants permanents présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de machines :
– Puissances massiques importantes et élevées.
– Absence de contacts glissants.
– Pas des pertes résistives au rotor ; ce qui facilite l’évaluation de la chaleur due aux pertes dans la machine. Ainsi, il y a suppression d’équipement de refroidissement au rotor.
– Suppression des bagues et des ballait, ce qui réduit les problèmes de maintenance.
– Supporter des surcharges et un bon comportement en accélération et en freinage.
– Grande fiabilité.
– Fonctionnement en survitesse.

Inconvénients de la MSAP
Comme inconvénients de la MSAP on cite :
– Coût élevé des aimants.
– Interaction magnétique due au changement de structure.
– Influence des vibrations et des chocs sur la structure de la machine.
– Diminution de l’aimantation selon loi logarithmique en fonction du temps.

Domaines d’application 

Le moteur synchrone à aimants permanents est utilisé dans une large gamme de puissance, allant des centaines des watts (servomoteur) à plusieurs méga watts (système de propulsion des navires) [6], C’est ainsi que le moteur synchrone peut être très utile dans de nombreuses applications, comme [7] :
• les équipements domestiques (machine à laver le linge),
• les automobiles,
• les équipements de technologie de l’information (DVD drives),
• les outils électriques, jouets, système de vision et ses équipements,
• les équipements de soins médicaux et de santé (fraise de dentiste),
• les servomoteurs,
• les applications robotiques,
• la production d’électricité,
• les propulsions des véhicules électriques et la propulsion des sous marins,
• les machines-outils,
• les applications de l’énergie de l’éolienne.

Différents types de machines a aimants permanents

Il existe de nombreuses configurations du moteur synchrone à aimants permanents. La raison principale de cette diversité est que les utilisateurs ont des besoins spécifiques. Par exemple, pour la conception d’un servomoteur, l’inertie devra être la plus faible possible, afin de permettre une accélération et une décélération, la plus rapide possible. Il sera donc préférable d’utiliser un moteur à rotor intérieur avec des aimants à hautes énergies. Tandis que, pour une application où la vitesse doit rester la plus constante possible, telle que la motorisation d’un disque magnétique, un moteur à rotor extérieur du fait de son inertie, est préférable [8]. Trois grandes familles existent : les moteurs à rotor intérieur, à rotor extérieur ou à entrefer axial.

a. Moteur à rotor intérieur
Le moteur à rotor intérieur a une configuration classique. Le rotor est constitué d’aimants assemblés sur une douille magnétique. Le stator est similaire à celui des machines triphasées à induction.

L’avantage majeur de cette structure est le ratio couple/vitesse qui est élevé. Néanmoins une difficulté de construction existe, il faut être capable de maintenir les aimants, même à vitesse élevée. Le plus souvent ils sont collés et frétés.

b. Moteur à rotor extérieur
Les tôles utilisées au stator ressemblent à celle de l’induit de la machine à courant continu à balais. Ce type de stator est simple à bobiner, car le fil se bobine directement sur le stator section par section.

Le rotor est constitué d’aimants montés dans une cloche magnétique permettant la continuité du champ. Dans cette configuration, il n’y a plus de problème pour maintenir les aimants, car ils sont plaqués sur la cloche par l’action de la force centrifuge. Cette structure est fréquemment utilisée dans les applications de ventilation pour son faible coût et sa fragilité de fabrication. Cependant, les machines à rotor extérieur ne sont utilisées que pour des applications à vitesse constante.

c. Moteurs à entre fer axial
Dans certaines applications à encombrement réduit, les machines à entrefer axial ont fait leur apparition (moteur de disque dur d’ordinateur, table tournante, ventilateur). Les aimants sont montés sur un disque magnétique mobile. Les bobines sont fixées en général sur le circuit imprimé avec les composants électroniques. Sous le circuit, une plaque métallique permet au champ de se refermer.

Ces machines ont en général un grand nombre de pôles et fonctionnent à basses vitesses (inférieure à 1000 tr/min) afin d’éviter un échauffement excessif dû aux courants de Foucault. Les avantages du moteur à entrefer axial sont : un faible coût, sa forme plate et l’absence de couple réluctant à faible vitesse.