Les pertes fer dans les générateurs de forte puissance

Les origines des pertes fer pour les fortes puissances

Les générateurs électriques conçus par JEUMONT Electric présentent de nombreuses spécificités de fabrication liées à la fois au savoir-faire de l’entreprise, aux diverses spécifications techniques et également aux contraintes électriques, thermiques et mécaniques. La technologie des alternateurs à pôles saillants est dense suivant le cahier des charges et le type d’application. Le design du générateur est alors adapté au besoin. Grâce au prototype de MSDEs, une brève représentation des parties ferromagnétiques de la machine est abordée. Cette vision n’est pas une généralité sur l’ensemble des machines conçues. Néanmoins, cela permet de cibler les parties susceptibles d’être à l’origine de pertes fer dans une machine de forte puissance. La figure 2.1 représente les différentes parties ferromagnétiques du prototype de MSDEs de 1MVA. L’armature statorique avant la phase de bobinage est représentée en figure 2.1.a. L’ensemble des tôles statoriques sont couvertes par un carter métallique et des joues de serrage qui assurent la mise sous pression des tôles.  Tôles statoriques  Ailettes de ventilations  Joue de serrage  Carter statorique a. Parties ferromagnétiques statoriques  Tôles rotoriques  Corne polaire massive  Flasque d’extrémité massif b. Parties ferromagnétiques rotoriques Figure 2.1 Parties ferromagnétiques du prototype de la MSDEs Chapitre 2. Les pertes fer dans les générateurs électriques de forte puissance 38 Le rotor de la figure 2.1.b reprend celui du prototype avant le collage des aimants en surface. Celui-ci est composé principalement de deux matériaux ferromagnétiques.

Le premier est feuilleté pour les tôles rotoriques, le second est de l’acier massif pour les cornes polaires. Le flasque d’extrémité est également massif. Celui assure le maintien des galettes du bobinage d’excitation rotorique. Ainsi, différents matériaux ferromagnétiques feuilletés et massifs constituent la machine. La variété de ces matériaux entraine des différences sur les propriétés magnétiques (courbes B(H) et pertes fer). De surcroît à cette variété de matériaux, le processus de découpage des tôles, la segmentation du circuit magnétique, la mise sous-pression des tôles, le recuit peuvent influer sur les propriétés magnétiques. Différentes études investiguent l’impact de ces procédés de fabrication sur les pertes fer [45]–[47].

Les pertes fer dans les matériaux magnétiques doux

Les matériaux ferromagnétiques doux sont employés dans les machines électriques sous forme de tôles empilées afin de former les circuits magnétiques rotorique et statorique. Ces tôles sont constituées de fer mais également d’un faible pourcentage d’alliage. Ils ont alors la faculté de pouvoir aimanter facilement un circuit magnétique à de faibles valeurs de champs en raison de leur champ coercitif Hc faible. L’intérêt des matériaux ferromagnétiques doux est de permettre de canaliser le flux magnétique. Lorsque le matériau ferromagnétique est soumis à un champ d’excitation variable dans le temps, des pertes énergétiques, appelées pertes fer apparaissent. Les pertes fer peuvent être décomposées en trois phénomènes physiques bien distincts. Même si l’ensemble des pertes dans les matériaux ferromagnétiques ont pour source les courants induits, la décomposition est faite en fonction de leurs différentes échelles spatio-temporelles. Ainsi les pertes fer sont décomposées en pertes par hystérésis, pertes par courants induits et pertes excédentaires. L’équation (2.1) reprend ce principe de décomposition [48]. Pfe = Ph + Pci + Pexc (2.1) Avec : Pfe Densité de pertes fer Ph Densité de pertes par hystérésis Pci Densité de pertes par courants induits Pexc Densité de pertes excédentaire Les sections suivantes ont pour objectif de présenter l’origine des pertes dans un matériau ferromagnétique doux selon la décomposition introduite par (2.1). 

Les pertes par hystérésis

Les pertes par hystérésis sont des pertes quasi-statiques. Elles interviennent lors d’absence de phénomène dynamique dû à un flux variable dans le temps. Ainsi les pertes par hystérésis sont uniquement liées à une échelle spatio-temporelle très réduite. En raison de l’organisation de la matière en domaines (domaine de eiss) et en fonction de l’aimantation de celle-ci, le passage de l’orientation d’un domaine à un domaine voisin s’effectue de manière progressive [49]. Ainsi, le changement de magnétisation entre domaine engendre le déplacement de parois nommées Chapitre 2. Les pertes fer dans les générateurs électriques de forte puissance 39 parois de Bloch en figure 2.2. Le passage d’un domaine à un autre est rapide, cela le rend indépendant des fréquences du champ magnétique. Ces déplacements de parois dans le matériau ont pour conséquence la création de courants induits microscopiques.

Les pertes quasi-statiques par hystérésis sont alors la conséquence de ces courants induits. Figure 2.2 Mouvement des parois de Blosch Ces pertes sont liées au comportement hystérétique du matériau. Cela signifie que si un matériau doux est magnétisé par un champ H croissant, il sera ensuite démagnétisé dans la direction opposée à ce champ magnétique. Les pertes fer quasi-statiques se traduisent alors par l’air de la courbe B(H) autrement appelé cycle d’hystérésis. La figure 2.3 présente un cycle d’hystérésis quasi-statique pour une fréquence de 5Hz. Figure 2.3 Exemple d’un cycle d’hystérésis quasi-statique L’auteur [50] démontre par les principes de la thermodynamique que l’énergie volumique perdue au cours de ce cycle correspond à l’air du cycle. Par conséquence, l’équation (2.2) permet de déterminer l’énergie volumique [J/m3 ] dissipée au cours d’une période. De par l’expression de l’énergie, les pertes par hystérésis ou quasi-statiques sont données en (2.3).