Machines synchrone à double excitation ;et Modèles pour le dimensionnement optimal

Machines synchrones à double excitation

Principe de fonctionnement et domaines d’applications

Le principe des structures à double excitation est basé sur la combinaison de deux sources de flux magnétiques d’excitation : des aimants permanents et des bobines d’excitation. Cette association permet d’introduire une flexibilité dans le contrôle de flux d’excitation en comparaison aux machines à aimants permanents où le flux d’excitation est à priori constant (aussi longtemps que les aimants gardent leurs propriétés magnétiques). L’hybridation de ces deux sources d’excitation magnétique ouvre le champ à la possibilité de réaliser une multitude de topologies de structures.

Pour illustrer le principe de la double excitation nous commencerons par présenter une structure à double excitation basique (Figure 1). Des structures plus ou moins complexes, issues de la littérature scientifique (articles, rapports de recherches) ou technique (brevets, rapports industriels), seront également présentées. La Figure 1.c montre une structure à double excitation. Cette structure est issue de l’association de deux machines à simple excitation (Figure 1.a et Figure 1.b). Dans le cas de cette structure, on parle de double excitation série [1] [5] [6], du fait que les deux sources (aimants permanents et bobines d’excitation) sont « magnétiquement en série ». Nous reviendrons sur les critères de classification des structures à double excitation dans la suite du document.

Critère de classification des machines synchrone à double excitation

P. L. Alger dit que « le concepteur est un artiste, qui incarne ses idées dans le cuivre, l’acier et l’isolant » [96]. Ces paroles se trouvent confirmées avec le développement des machines à double excitation, où l’association de deux sources d’excitation ouvre le champ à la possibilité de réaliser une multitude de topologies de structures. En effet, un nombre non négligeable d’articles et de brevets concernant les machines à double excitation ont été publiés durant ces dernières années. L’objectif de toutes les classifications est l’arrangement ordonné d’un large éventail d’objets de sorte que leurs différences et les similitudes peuvent être mieux comprises.

C’est exactement  dans ce but, que plusieurs auteurs ont classé les structures à double excitation selon différents critères [10]- [15]. La classification de ces machines n’est pas aisée, car le degré de liberté supplémentaire apporté par la double excitation ouvre le champ à une multitude de structures originales et extrêmement variées. Ainsi, il existe des machines où le champ magnétique évolue dans un plan (2D), et d’autres structures où le champ suit des trajets tridimensionnels (3D), les structures 2D étant plus faciles à construire et à modéliser pour être dimensionnées que les structures 3D.

D’autres critères peuvent également être invoqués pour la classification de ces machines. Par exemple, l’agencement des deux sources d’excitation permet de définir deux configurations de base. Dans la première, le flux créé par les bobines d’excitation traverse les aimants permanents (double excitation série). Dans la seconde, le flux créé par les bobines d’excitation emprunte un trajet différent (double excitation parallèle). Une telle classification a été proposée dans [11]. Enfin, la localisation des sources d’excitation (aimants permanents et bobines inductrices) dans la machine, par exemple, est un critère, assez pertinent d’un point de vue industriel.

La suppression des contacts glissants permet, par exemple, une réduction de la maintenance (l’excitation bobinée est alors localisée au stator). De plus, la présence des deux sources d’excitation sur la partie statique (stator) implique un rotor complètement passif et est de ce fait mieux adapté pour des fonctionnements à vitesse élevée [16]- [21]. Afin de présenter les différentes topologies nouvellement développées, nous nous baserons sur le premier critère invoqué :  Structures 2D ;  Structures 3D.