Les machines à double excitation

Les machines à double excitation

Les premières MSDE sont apparues dans les années 90 [1]–[5]. Ces machines ont vu leur développement s’accroître pour pallier aux limitations des machines conventionnelles. Alors que le nom de MSDE commence à être ancré dans la « culture machiniste », le terme anglo-saxon est généralement défini comme « Hybrid Excitation Synchronous Machine ». Cette dénomination fait référence à l’hybridation des machines électriques afin de combiner l’efficience des MSAP à la souplesse de contrôle de flux des MSRB. Le principe des MSDE repose alors sur l’alliance de deux sources de flux, à savoir les aimants permanents et les bobines d’excitation.

À partir de ce principe, de nombreuses et nouvelles structures non-conventionnelles ont été développées. Dans la littérature, de nombreux états de l’art énumèrent ces structures. Différentes classifications sont proposées : ▫ La première repose sur la localisation des sources d’excitation. L’auteur [13] classifie ces machines suivant si les sources sont au rotor, stator, ou un mix des deux. ▫ La seconde se base sur le trajet du flux généré par les sources.

Dans le cas d’une machine, les flux peuvent être 2D, ou 3D [14], [15]. ▫ La troisième est basée sur la relation de position entre les pôles composés d’aimants ou de fer. L’auteur de [16] détaille ce principe avec un état de l’art ▫ La quatrième propose de classifier les MSDE suivant l’arrangement des sources [5], [6]. Concrètement, les sources de flux peuvent être magnétiquement en série ou en parallèle. Cette méthode de classification est la plus courante. Dans les prochaines sections, un bref panel des structures de MSDE est introduit. Le principe de classification choisi repose sur le quatrième principe, suivant l’arrangement des sources en série ou en parallèle. 1

Principes et structures des MSDE série

Principes des MSDE série

Le schéma de principe de la double excitation série est donné sur la figure 1.8. Le flux créé par les bobines d’excitation φB emprunte le même trajet que le flux créé par les aimants permanents φa. En conséquence, l’agencement des sources de flux implique que les bobines soient magnétiquement en série avec les aimants permanents. 10 Chapitre 1. Introduction Figure 1.8 Schéma de principe d’une MSDE série Suivant l’équation (1.1), le flux utile φu peut-être défini comme une fonction f du flux de la bobine d’excitation φb et du flux des aimants permanents φA.

Dans cette configuration, le flux créé par la bobine d’excitation s’ajoute à celui des aimants. Suivant l’orientation du courant, le flux créé par la bobine pourrait être également soustractif. φu =f(φb +φa) (1.1) Afin de comprendre la combinaison de ces sources, la figure 1.9 propose de décomposer le trajet des lignes de flux de ce schéma de principe.

Lorsque les bobines seules sont alimentées en figure 1.9.a, les aimants sont remplacés par de l’air. Le flux créé par les bobines d’excitation voit alors deux entrefers magnétiques suivant la perméabilité des aimants. Lorsque la structure utilise uniquement les aimants, en figure 1.9.b, le flux créé emprunte le même trajet que précédemment. Enfin, la figure 1.9.c reprend le principe de combinaison de ces deux sources de flux magnétiquement en série.

 Structures de MSDE série Basé sur le principe de l’agencement des sources en série, de nombreuses structures de MSDE ont été développées. La figure 1.10 propose différents concepts de MSDE série. Le même principe des sources magnétiquement en série peut mener à différentes topologies de MSDE. a. [1], [12] c. [19] b. [18] d.[3] Figure 1.10 Structures de MSDE série La structure proposée par [18] a mené à un prototypde 69kVA.

Récemment, la topologie de l’auteur [19], a été developpée pour une application éolienne, où la hauteur d’aimant permet de produire le flux nominal. La bobine d’excitation est utilisée afin d’accroître ou décroître ce flux utile. Néanmoins, ces structures souffrent de l’entrefer important vis-à-vis de l’enroulement d’excitation. Les opérations de défluxage restent limitées et requièrent beaucoup d’ampères tours, engendrant des conséquences thermiques et des risques de démagnétiser les aimants. Un compromis est alors nécessaire entre les ampères-tours créées par les aimants et ceux de la bobine d’excitation (cf : chapitre 3 – section 3.2.2).