Généralités sur les machines synchrones à aimants permanents

L’apparition sur le marché d’aimants de bonne qualité et de faible coût ainsi que les progrès réalisés dans le domaine de l’électronique ont permis le développement des moteurs synchrones à aimants. Ces moteurs remplacent avantageusement les moteurs à courant continu dont la durée de vie est limitée par le frottement des balais.

Ce ne fut qu’à partir de 1970 que les progrès en électronique de puissance et en informatique de régulation permirent enfin de faire profiter toutes les machines de production des avantages technologiques du moteur synchrone. Les servomoteurs à courant continu sont maintenant remplacés par des servomoteurs « sans balais», qui ne sont rien d’autre que des moteurs synchrones à aimants permanents.

La grande différence entre le moteur à courant continu et le moteur synchrone réside dans la permutation de l’excitation et de l’induit. Contrairement au moteur à courant continu, le moteur synchrone dispose de son excitation au rotor et de son induit au stator. Ainsi, l’alimentation des bobines de l’induit se fait directement, sans collecteur. Lorsque l’excitation est réalisée par des aimants permanents, il n’y a aucun courant électrique qui circule au rotor. Même lorsqu’elle est réalisée par des électro-aimants, le courant continu nécessaire est transmis au rotor à l’aide d’un système de bagues moins délicat qu’un collecteur .

La difficulté résulte cependant du fait que, si les bobines du stator sont alimentées en courant continu, les aimants du rotor vont simplement s’aligner en face de ces bobines, puis rester arrêtée à cet angle. Pour que le rotor tourne, l’alimentation des bobines du stator doit être variable au cours du temps. L’idée consiste à les alimenter de manière à créer un champ magnétique tournant [2].

Les différentes structures de la machine synchrone à aimants permanents

Les configurations rotoriques

Il existe deux familles structurelles  :
• Les structures à rotor intérieur,
• Les structures à rotor extérieur.
La structure à rotor intérieur est la plus utilisée compte tenu des difficultés de réalisation que posent celle à rotor extérieur (problème de la sortie des fils de phases du stator, problème thermique). Cependant, une structure à rotor extérieur peut favoriser une meilleure intégration de l’actionneur au système dans certaines applications. Ainsi, pour la ventilation par exemple, les pales du ventilateur peuvent être montées directement sur le rotor. Le maintien des aimants est facilité par la force centrifuge et un simple collage peut être suffisant pour assurer leur fixation mécanique, alors que pour une machine à rotor intérieur, le maintien des aimants doit être assuré par collage et frettage. Une structure à rotor extérieur permet aussi de réduire le diamètre extérieur puisque généralement la hauteur des aimants est moins importante que la profondeur des encoches.

Elle permet donc d’obtenir un gain sur l’encombrement. Sur le plan thermique, la dissipation des pertes du stator est en contrepartie plus difficile, en raison de l’entrefer qui empêche une conduction thermique jusqu’à la surface d’échange avec l’air ambiant. Mais, une surface extérieure tournante peut favoriser aussi les échanges convectifs avec l’air ambiant. Il est donc difficile de classer ces deux structures sans quantifier leur échauffement respectif [7]. Chacune de ces deux familles se subdivise en 2 sous-groupes :

• Les structures sans pièce polaire (SPP), très simples de configuration, ces types de structures constituent la majorité des modèles présents sur le marché;
• Les structures avec pièces polaires (APP), les divergences de configurations sont en général dictées d’une part, par la volonté d’augmenter le niveau d’induction dans l’entrefer et d’autre part, par la nécessité de définir une anisotropie magnétique très marquée au rotor qui confère à la machine des aptitudes spécifiques à l’augmentation de la plage de vitesse.

On a donc des structures pour lesquelles l’induction dans l’entrefer, aux fuites près, est égale au niveau d’induction dans l’aimant (SPP) jusqu’aux structures pour lesquelles l’induction dans l’entrefer est amenée à une valeur très différente de celle existant dans l’aimant (APP).

Machines avec pièces polaires :
Les machines de ce type comportent un rotor où les aimants sont associés avec des pièces polaires pour élever l’induction dans l’entrefer à une valeur supérieure à l’induction rémanente des aimants par effet de concentration du flux. Les structures les plus typiques sont présentées sur la (Figure 4).On peut distinguer deux types de machine avec pièces polaires.

Les rotors dits à ”concentration de flux” comportent des aimants à aimantation tangentielle encastrés entre 2 pièces polaires et dont la hauteur est supérieure à la largeur. On dit aussi d’un point de vue magnétique, que les pôles à aimantation permanente sont connectés en parallèle. Ce type de rotor, plus rigide mécaniquement que des structures sans pièce polaire, est capable de générer un flux dans l’entrefer plus élevé par rapport aux autres structures de rotor avec pièces polaires.

Il existe également des structures de rotor à concentration de flux, pour lesquelles les aimants ne sont pas disposés radialement (aimants en V-forme).

Les rotors dits à ”aimants enterrés” sont surmontés de pièces polaires. Ces aimants peuvent être de forme parallélépipédique à aimantation parallèle ou en forme de tuile à aimantation radiale. On dit aussi d’un point de vue magnétique, que les pôles à aimantation permanente sont connectés en série. Quelle que soit la structure considérée, les pièces polaires peuvent être le siège de courants induits et on peut donc être amené à les feuilleter pour réduire les pertes.

Machines sans pièces polaires
Les machines de ce type  comportent un rotor dont les aimants sont disposés directement contre le noyau magnétique rotorique et sont maintenus par collage et frettage si besoin est. On dit également, que les pôles sont connectés en série. L’épaisseur de la frette s’ajoute à l’entrefer mécanique de sorte que la hauteur des aimants doit être suffisamment importante pour maintenir un niveau d’induction suffisant dans l’entrefer.

Le rotor présenté sur la   à aimants en forme de tuile (aimantation radiale), crée une induction dans l’entrefer à allure rectangulaire (avec une portion à induction nulle si les aimants ne sont pas jointifs). L’entrefer étant constant, l’inductance cyclique résultante est donc constante car indépendante de la position du rotor. Dans le cas où le rotor est constitué d’aimants à aimantation parallèle en forme de secteurs plans convexes déposés sur un noyau magnétique à facettes, l’inductance cyclique dépend de la position du rotor en raison de la présence des facettes. Cette variation peut être cependant faible si l’épaisseur des aimants est importante ou si le nombre de pôles est élevé. Les aimants peuvent être magnétisés également en graduant leur polarisation. Pour améliorer la distribution spatiale de l’induction dans l’entrefer, les aimants peuvent être biseautés. Cette méthode tend à réduire les pertes fer dans la machine. Cependant le biseautage s’effectue au détriment d’une augmentation du prix d’usinage. Ces structures sont les mieux adaptées à nos applications, et pour des raisons de facilité de fabrication nous mettons en œuvre une aimantation parallèle en forme de secteurs plans convexes qui permet d’avoir une fem quasiment sinusoïdale.