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Machines à courant continu
Les machines à courant continu sont le premier type de machine électrique développé durant cette analyse comparative.
Cependant, ce système collecteur-balais dévient un inconvénient [BET99], car il demande un coût d’entretien supplémentaire. Elle est surtout utilisée pour des applications de faibles puissances, par exemple les actionneurs d’obturateurs qui régulent le flux d’air dans la chambre de combustion d’une voiture [GUT12]. Le convertisseur d’alimentation pour cette machine est un pont H, ce qui est simple à développer.
Lorsqu’on dimensionne un moteur à courant continu pour des puissances moyennes, la structure devient plus volumineuse.
On peut remarquer que ces machines ont besoin d’un moteur auxiliaire pour sa ventilation. Les applications étant orientées vers les moyennes puissances et des machines sans entretien régulier, les machines à courant continu ne rentrent pas dans le cadre et dans les applications visées par cette thèse.
Machines asynchrones
Les machines asynchrones se caractérisent par une différence entre la vitesse angulaire du rotor et celle du champ tournant inducteur (stator). Il existe deux types de machines asynchrones, différenciés au niveau du type d’enroulement au rotor : bobiné et à cage d’écureuil.
Un inconvénient de la machine asynchrone à cage est le fort courant au démarrage. L’auteur de [POL98] propose d’autres formes d’encoches afin de limiter ce courant. Le convertisseur de la machine asynchrone contient plus d’interrupteurs que celui de machine à courant continu, cependant il reste assez simple et sa commande vectorielle est rapide de mettre en œuvre. Ce type de convertisseur est devenu un standard dans l’industrie.
Types d’aimants permanents
La description des types d’aimants permanents est basée sur les travaux réalisés par les auteurs de [LEB09].
Alnicos : Les aimants de type Alnico sont en alliage de type fer-nickel-aluminium. Ils ont été découverts dans les années 1930. Malgré l’ajout de cobalt et titane pour améliorer leurs propriétés, leurs valeurs de champ coercitif restent faibles pour les applications actuelles.
L’alliage à haut niveau d’induction rémanente présente un champ coercitif faible, le risque de démagnétisation totale est donc élevé. Un autre inconvénient est qu’ils appartiennent à la catégorie des aimants semi-rémanents, leur caractéristique est non-linéaire [LEB09], la modélisation sera donc plus difficile à réaliser. Cette catégorie d’aimant est plus sensible à une démagnétisation irréversible lorsque le champ est variable (cas de machines tournantes).
Ferrite : Les aimants type ferrite ont été découverts dans les années 1950, ils sont faits à base de céramiques d’oxydes de fer. L’utilisation du baryum ou strontium a amélioré leurs performances magnétiques [LEB09]. En générale leur induction rémanente et leur champ coercitif sont faibles. Les aimants type ferrite présentent un avantage important par rapport aux autres types d’aimants, leur champ coercitif de polarisation augmente lorsque la température de fonctionnement augmente. Ainsi, leur risque de démagnétisation à haute température est minimal. Le niveau de température de Curie atteint les 460 °C.
Analyse des performances de la MSR-AP
Dans la littérature les auteurs se sont intéressés par divers sujets à la MSR-AP, parmi ces sujets, les ondulations de couple, les pertes fer et le pilotage sans capteur de position. Les deux premiers sont des critères négatifs que les chercheurs s’intéressent à réduire dans la MSR-AP. Enfin, nous expliquerons certaines conditions à accomplir lorsque nous utilisons la technique de pilotage sans capteur de position qui permet éventuellement de s’affranchir d’un codeur pour le relevé de la position du rotor.
Ondulations de couple : Un inconvénient des MSR-AP est lié à une forte ondulation de couple. M. Alotto [ALO11] a réalisé une étude permettant de déterminer la meilleure forme de barrières de flux pour obtenir un couple avec moins d’ondulation et une valeur moyenne élevée. Dans cette étude, M. Alotto a utilisé un rotor à quatre pôles et deux barrières de flux par pôle. Il a modifié la symétrie du rotor par une structure appelée rotor « machaon », les barrières de flux sont de différentes formes pour les pôles adjacents. Il montre la caractéristique « Couple-angle mécanique » et présente l’influence de la première barrière de flux, de la seconde barrière et des deux barrières ensembles . La réduction de l’ondulation de couple est évidente, lorsque les deux barrières de flux sont utilisées ensemble. De plus, l’auteur réalise des analyses pour différents types de bobinages. Ainsi un bobinage à pas raccourci contient moins d’ondulations de couple. Le nombre d’encoches, et plus précisément le nombre d’encoche par pôle et par phase, a aussi une forte influence sur les ondulations de couple. Les amplitudes des harmoniques de la force magnétomotrice diminuent lorsque ce paramètre augmente. Par conséquent, si le nombre d’encoches est dupliqué, le taux d’ondulation de couple est réduit au moins de la moitié.
Pertes fer : M. Alotto [BAR10] a également réalisé une conception de la machine synchro-réluctante ayant pour objectif de réduire les pertes fer au stator. La machine étudiée possède un rotor avec deux barrières de flux par pôle. Les barrières de flux produisent une anisotropie au rotor qui est à l’origine du grand contenu harmonique de l’induction dans l’entrefer. Il y aura donc des fluctuations de l’induction dans le stator, principalement dans les dents et une augmentation des pertes fer pour le fonctionnement en défluxage. Par conséquent, les pertes fer dépendront de la géométrie du rotor.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Étude bibliographique des machines industrielles
I.1 Introduction
I.2 Machines électriques
I.2.1 Machines à courant continu
I.2.2 Machines asynchrones
I.2.3 Machines synchrones
I.2.4 Discussion des différents types de machines
I.2.5 Conclusion des types de machines
I.3 Aimants permanents
I.3.1 Principe
I.3.2 Types d’aimants permanents
I.3.3 Contexte économique des aimants permanents
I.3.4 Discussion technico-économique des types d’aimants permanents
I.4 Choix de la machine
I.5 Analyse des performances de la MSR-AP
I.5.1 Ondulations de couple
I.5.2 Pertes fer
I.5.3 Pilotage sans capteur de position
I.6 Mise en évidence des paramètres de la MSR-AP
I.7 Conclusion
Chapitre II : Analyse par éléments finis de la machine synchro réluctante assistée d’aimants permanents
II.1 Introduction
II.2 Calcul des performances électromagnétiques par éléments finis
II.3 Géométrie des machines synchro-réluctantes
II.4 Influence des aimants permanents
II.4.1 Machine synchro-réluctante
II.4.2 Machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents
II.4.3 Comparaison des performances électromagnétiques des deux machines
II.5 Variation du nombre de pôles
II.6 Influence du nombre de barrières
II.7 Ondulations de couple
II.7.1 Influence de l’angle de calage
II.7.2 Influence de l’angle d’ouverture des barrières de flux
II.8 Influence des ponts rotoriques
II.8.1 MSR-AP à vide
II.8.2 MSR et MSR-AP en charge
II.9 Pilotage sans capteur de position
II.9.1 Machine de référence et plan d-q
II.9.2 Mesure des tensions Vd et Vq
II.9.3 Calcul des inductances
II.9.4 Restriction des points pour le pilotage sans capteur
II.10 Conclusion
Chapitre III : Modélisation analytique multi-physique
III.1 Introduction
III.2 Modélisation analytique multi-physique de l’onduleur
III.2.1 Modèle de la commande
III.2.2 Modélisation énergétique
III.2.3 Modélisation thermique
III.2.4 Modélisation technico-économique
III.2.5 Couplage des modèles
III.2.6 Critère de choix d’un composant
III.3 Modélisation analytique multi-physique du moteur
III.3.1 Modélisation électromagnétique
III.3.2 Modélisation électrique
III.3.3 Modélisation énergétique
III.3.4 Modélisation thermique
III.3.5 Modélisation mécanique
III.3.6 Modélisation technico-économique
III.3.7 Couplage des modèles
III.3.8 Conclusion sur la modélisation analytique du moteur
III.4 Comparaison avec le modèle par éléments finis
III.4.1 Machine de référence
III.4.2 Induction d’entrefer
III.4.3 Induction des ponts tangentiels
III.4.4 Inductions dans le rotor
III.4.5 Couple électromagnétique moyen
III.4.6 Facteur de puissance interne
III.4.7 Tension entre phases
III.4.8 Pertes fer
III.4.9 Conclusion de la validation par éléments finis
III.5 Validation par maquettage – Résultats d’essais
III.5.1 Résistance électrique
III.5.2 Couple moyen
III.5.3 Facteur de puissance
III.5.4 Tension entre phases
III.5.5 Rendement
III.5.6 Température du bobinage
III.5.7 Conclusion de la validation par maquettage
III.6 Étude du pilotage sans capteur de position
III.6.1 Machine de référence
III.6.2 Validation du modèle analytique
III.6.3 Conclusion du pilotage sans capteur
III.7 Conclusion
Chapitre IV : Mise en œuvre de la conception par optimisation
IV.1 Introduction
IV.2 Conception optimale
IV.2.1 Algorithmes déterministes
IV.2.2 Algorithmes stochastiques
IV.2.3 Discussion
IV.3 Description du problème d’optimisation
IV.3.1 Cahier des charges 1 – Gamme industrielle
IV.3.2 Cahier des charges 2 – Traction électrique
IV.3.3 Synthèse du problème d’optimisation
IV.3.4 Conclusion
IV.4 Méthode et démarche d’optimisation
IV.4.1 Algorithme d’évolution différentielle
IV.4.2 Application à plusieurs points de fonctionnement
IV.4.3 Conclusion
IV.5 Résultats des optimisations
IV.5.1 Optimisation mono-objectif du cahier des charges 1
IV.5.2 Optimisation mono-objectif du cahier des charges 2
IV.5.3 Optimisation mono-objectif des cahiers des charges 1 et 2
IV.5.4 Optimisation bi-objectif
IV.6 Évaluation des gains technico-économiques
IV.7 Conclusion
Conclusions générales
Annexe I : Définition de paramètres géométriques du rotor de la MSR-AP
Annexe II : Analyse des ponts rotoriques – Lignes de champ
Références bibliographiques
