Alternateur synchrone avec rotor bobiné à pôles saillants

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Alternateur synchrone avec rotor bobiné à pôles saillants

Dans cette section, nous faisons une description de l’alternateur synchrone. Ensuite nous dressons un état de l’art des structures d’alternateur avec contrôle du flux d’excitation et des innovations dans le système d’excitation.

Description de l’alternateur

L’alternateur est composé d’une machine principale et d’un système d’excitation. La machine principale est à quatre pôles saillants avec un bobinage d’excitation alimenté en courant continu. Le système d’excitation est sans bagues et balais (dit brushless). Il est formé par une machine inversée, appelée excitatrice, dont l’induit est connecté à un pont redresseur tournant. Une vue de l’alternateur et de ses composants se trouve sur la figure I.2.
L’alimentation de l’excitatrice est contrôlée par un régulateur. Il y a plusieurs systèmes pour alimenter l’inducteur de l’excitatrice : alimentation directe depuis la tension de sortie de l’alternateur (excitation SHUNT), alimentation par une génératrice à aimants permanents (excitation PMG) et alimentation par des bobinages supplémentaires au stator qui captent les harmoniques de l’induction magnétique d’entrefer (excitation AREP).
La machine à pôles saillants est une structure de machine utilisée depuis l’invention des systèmes électriques triphasés. La première machine à pôles saillants est attribuée à Haselwander en 1887 [NEI92]. La figure I.3 présente cet alternateur, avec 4 pôles et une puissance de 2.8 kW. L’alternateur avec rotor à pôles saillants est une structure mature et fiable. Les principales avancées dans ce type de technologie correspondent aux évolutions dans les matériaux ferromagnétiques, dans les matériaux isolants [BOU04] et au développement des logiciels de calcul éléments finis qui ont permis de raffiner le design sur le plan multi-physique. Toutes ces avancées ont entrainé une amélioration de la puissance massique et du rendement de la machine. Cependant, au niveau du design électromagnétique, la structure reste semblable à celle d’origine.
La machine à pôles saillants actuelle possède les caractéristiques suivantes :
• Le bobinage statorique est à pas raccourci de 2/3 pour éviter l’existence d’une composante harmonique de courant de rang 3.
• Le rotor a un circuit amortisseur. Il est formé par plusieurs barres en cuivre ou aluminium court-circuitées par deux plaques aux extrémités du paquet de tôles. En régime permanent, les amortisseurs lissent la forme d’onde de l’induction magnétique d’entrefer qui contient des pulsations liées aux encoches et à la distribution discrète des conducteurs dans le stator. En régime transitoire, le circuit amortisseur influe le comportement de la machine (son couple et les courants de défaut) en court-circuit et face aux variations soudaines de charge, couple ou courant. L’utilisation de la machine à pôles saillants est très répandue comme génératrice dans la production d’électricité à basse vitesse. Depuis ces dernières années, elle ressuscite l’intérêt pour des applications moteur comme alternative aux machines à aimants permanents. La machine à pôles saillants a un rendement et une densité de puissance massique plus faibles que les machines à aimants pour des volumes d’encombrement réduits. Ceci s’explique parce que le bobinage d’excitation requiert plus de place qu’une excitation par des aimants. En revanche, elle reste une structure intéressante du point de vue économique. Par exemple, le moteur électrique de traction de la Renault ZOE est de ce type [SAN12].
Nous traitons dans ce paragraphe des innovations récentes dans l’alternateur. Nous distinguons celles qui concernent l’alternateur principal de celles du système d’excitation.

Innovations dans l’alternateur principal

L’analyse bibliographique de l’alternateur principal commence par les structures d’alternateur à simple excitation bobinée, objet de la thèse, et continue avec les structures à double excitation.

Structures à excitation simple bobinée

Parmi les structures à excitation simple bobinée, l’alternateur classique à pôles saillants continue d’être la structure la plus répandue pour notre application. A notre connaissance, les publications concernant l’amélioration des structures à simple excitation sont peu nombreuses dans la littérature. Par la suite, nous montrons quelques exemples.
Dans l’article [YAN15], un rotor avec des pôles asymétriques est proposé (il se trouve sur la figure I.4). Il permet une insertion facile des bobinages d’excitation. Ses performances sont semblables à celles d’une machine conventionnelle.
Une structure conceptuelle de rotor avec un bobinage spécial est analysée dans [DOR12] pour une application en traction automobile. Le bobinage est arrangé de façon à créer un champ similaire à celui créé par des aimants à concentration de flux. L’orientation des courants dans le rotor est indiquée sur la figure I.5. Cependant, la structure semble difficile à industrialiser.
Figure I.5. Structure de rotor avec bobinages « en concentration de flux » [DOR12]
Il existe d’autres machines où le bobinage d’excitation est situé au stator au lieu du rotor, étant le rotor synchro-réluctant. Elles sont nommées Doubly Fed Reluctance Machine. Leur principe de fonctionnement est décrit dans les références [KNI13] et [DOR13]. Le champ d’excitation a un nombre de pôles différent de celui du stator. Le couplage magnétique entre les deux est réalisé par le rotor qui possède également un autre nombre de pôles (voir figure I.6). Ces machines ont un nombre minimal de pôles supérieur à quatre, elles ne sont pas adaptées pour notre application.
Figure I.6. Doubly Fed Reluctance Machine [DOR13]

Structures à double excitation

Depuis ces dernières années, une attention particulière est portée à l’étude des structures à double excitation comme alternative à la structure classique à pôles saillants bobinés. L’idée de la double excitation est de combiner les points forts des structures à aimants permanents et des structures à excitation bobinée. Les structures à aimants permanents possèdent une meilleure densité de couple que les structures excitées électriquement (pour des volumes d’encombrement réduits). Le rendement des structures à aimants est meilleur grâce à l’absence des pertes cuivre au rotor. L’excitation bobinée offre la possibilité de contrôler facilement le niveau de flux magnétique de la machine.
Les machines à double excitation peuvent être classées selon différents critères, les plus utilisés étant :
• Selon la position relative des sources d’excitation entre elles, en série ou en parallèle.
• Selon la position des sources d’excitation, si elles sont au rotor ou au stator.
Différents résumés exhaustifs de ce type de machines se trouvent dans les références [AMA09], [NED11], [HLI13], [AMM13]. Maintenant nous allons présenter quelques structures à double excitation car elles nous ont paru plus intéressantes pour notre application. Toutes ces structures peuvent alimenter directement à la charge. La plupart d’entre elles sont essentiellement des structures 2D avec les deux sources d’excitation au rotor, ce qui permet une mise en œuvre facile. Dans la référence [AMM13], un alternateur à pôles saillants à double excitation est analysé pour un fonctionnement à vitesse fixe et à vitesse variable. Le rotor est à pôles saillants bobinés conventionnels. Les aimants de forte densité d’énergie sont collés sur l’arc polaire du rotor. La figure I.7 montre une image de la structure et de sa maquette. Les deux sources d’excitation sont en série. Les aimants permettent d’augmenter la densité de couple de la structure à pôles bobinés. (a) (b)
Une autre structure d’alternateur à double excitation est proposée par une équipe du Kanazawa Instititute of Technology [FUK10]. Des aimants de haute énergie se situent entre les cornes polaires. Les sources d’excitation du rotor sont alors en parallèle. La figure I.8 (a) montre une image du principe de cette structure. Le flux principal de l’alternateur provient du bobinage. Le flux créé par les aimants s’oppose à celui provenant du bobinage afin de réduire la saturation magnétique dans les cornes polaires et dans le corps du pôle. Par conséquent, cet alternateur reçoit le nom de Salient-Pole Synchronous Machine Assisted by Permanent Magnets.

Concept [YAM12] (b) Maquette d’un design optimisé [YAM15]

L’analyse de la structure a fait l’objet de plusieurs publications. La contribution des aimants au fonctionnement abordée dans [YAM12], conclut que le gain en puissance à la sortie de l’alternateur procède de la réduction de la saturation des cornes polaires et du corps du pôle. Dans la même référence, les auteurs vérifient les performances sur une maquette. Le gain est de plus de 20 % en puissance débitée, et le rendement est augmenté de 5 points. La modélisation analytique de la structure est abordée dans [FUK10], [YAM11], [HOS12a]. La démagnétisation des aimants est étudiée dans [HOS12b]. Pour une machine à quatre pôles, le risque de démagnétisation est faible, comparée à une machine à huit pôles. L’optimisation des pôles du rotor est réalisée par un algorithme déterministe en [YAM15]. Dans cette même famille de structures se trouve la machine décrite dans [SHU15] pour une application de production d’électricité pour un bâtiment résidentiel. Les publications [KAM13], [KAM14] analysent une machine à double excitation avec des pôles asymétriques pour une application de production d’électricité en site isolé, plus concrètement pour des bateaux. Dans une paire de pôles, la machine possède un pôle bobiné conventionnel et un pôle avec des aimants permanents de haute énergie disposés en V (voir Figure I.9 (a)). Les sources d’excitation sont en série. La source d’excitation principale de la machine sont les aimants et le bobinage d’excitation ne sert qu’à compenser la réaction d’induit pour garder un niveau de tension de sortie constante, d’où son nom Armature-Reaction-Compensated Permanent-Magnet Synchronous Generator. La comparaison avec une machine à simple excitation bobinée montre que le design est compétitif en termes de coût et le rendement est augmenté de 1.5 points.

Concept (b) Tôles de la maquette

Les structures à double excitation sont également présentes dans les systèmes de production d’électricité en courant continu. Dans ce type d’application, la machine est couplée à un convertisseur AC/DC. L’intérêt de la double excitation ici est que l’excitation bobinée permet de régler de façon simple le courant débité vers la charge, il est donc possible d’utiliser des redresseurs passifs. La présence des aimants augmente la densité de puissance et le rendement. Des résumés de ce type de structures pour la génération DC se trouvent dans [GIE12] et [WAN12]. [WAN12] se focalise sur les structures à double excitation au stator, les structures à réluctance variable à double saillance et à commutation de flux. Selon leur principe de fonctionnement, ces structures ont un nombre de pôles supérieur à quatre. La figure I.10 présente quelques réalisations des structures à double excitation DC qui pourraient s’adapter à quatre pôles.
• Excitation parallèle : Dans cette catégorie se trouvent les structures à griffes (voir figure I.10 (a)) employées comme alternateur dans les véhicules. Le bobinage du rotor est de forme toroïdal, connu comme bobinage global, et placé autour de l’arbre.
Les pôles sont réalisés dans un matériau ferromagnétique massif. Des aimants en ferrite sont introduits entre les pôles pour réduire les fuites entre les griffes consécutives. Dû à l’emploi d’un bobinage global, le nombre de pôles optimal est supérieur à quatre. Ce type de structure a un assemblage simple et un coût réduit. Leur inconvénient principal est leur faible rendement lié aux pertes fer dans les pièces massives. Cette structure a fait l’objet de plusieurs thèses pour améliorer ses performances [ALB04], [BOU05], [TAM08], [PER13].
• Excitation bi-axiale : Ces structures de rotor ont un bobinage d’excitation sur l’axe d et des aimants situés sur l’axe q insérés dans des barrières de flux. Les aimants ont comme objectif d’affaiblir la réaction d’induit d’axe q, afin d’augmenter le couple de saillance. [SCR05] propose une machine bi-axiale comme alternateur automobile. Elle a quatre pôles avec des aimants en ferrite situés sur deux barrières de flux en forme de U (figure I.10 (b)). [DAA12] reprend le même principe mais la barrière et l’aimant sont sur l’axe du pôle (figure I.10 (c)). Ce type de structure possède des meilleurs performances pour des vitesses moyennes et hautes (12000 / ). Une structure semblable à celle de la figure I.10 (c) est analysée dans le chapitre II section II.7. Nous avons choisi cette topologie car elle peut être créée à partir du rotor à pôles saillants conventionnel sans besoin que l’on ait de grandes modifications dans la tôlerie.

Innovations dans le système d’excitation des machines bobinées

Nous abordons maintenant trois types d’innovations dans le système d’excitation des machines bobinées : des structures alternatives d’excitatrices, des systèmes d’excitation statiques et des machines autoexcitées. Nous ne considérons pas les systèmes d’excitation par bagues et balais. La structure d’excitatrice la plus répandue est celle d’une machine inversée. Le stator présente un bobinage DC à pôles saillants et le rotor un bobinage triphasé couplé à un redresseur tournant. Plusieurs auteurs ont analysé d’autres topologies de machines pour l’excitatrice, ou des systèmes de transfert de puissance par couplage inductif [LEG07] et par couplage capacitif [LUD12]. Le chapitre III de ce manuscrit de thèse est consacré à l’étude d’une structure d’excitatrice synchrone non conventionnelle.
L’excitatrice peut être enlevée si un système d’excitation statique est utilisé pour créer le flux d’excitation dans le rotor. Le système est alors composé par une bobine d’excitation statique qui crée un flux magnétique qui est acheminé au circuit magnétique tournant du rotor via des entrefers auxiliaires. Ces structures ont des trajets de flux tridimensionnels, habituellement il s’agit des structures à griffes. [BAR95] analyse une structure à griffes avec excitation statique pour un fonctionnement à très haute vitesse (30000 / ). Le fait d’ajouter des entrefers auxiliaires présente la contrepartie que l’excitation de la machine doit être plus importante, et donc les pertes cuivre sont plus conséquentes. De ce fait, une deuxième source d’excitation à aimants est souvent rajoutée soit pour renforcer le champ d’excitation, soit pour limiter les fuites magnétiques entre les pôles. La configuration des entrefers auxiliaires et de sources d’excitation peut varier :
• [REB15] : L’excitation située au stator est composée par deux bobinages. Le flux d’excitation rejoint le rotor via deux entrefers auxiliaires dans la direction axiale. Le rotor a des aimants à forte densité d’énergie insérés et orientés au sens axial entre les deux ensembles de griffes (voir figure I.11 (a)).
• [BUR14] : Le bobinage d’excitation se place à l’intérieur de la machine dans la partie statique. La partie tournante est composée par des aimants permanents et également par des griffes en poudre de fer qui canalisent radialement le flux du rotor. Les entrefers auxiliaires sont radiaux. Une image de cette machine se trouve sur la figure I.11 (b).
• [HAG12] : Le rotor à griffes est à double excitation : un bobinage statique avec deux entrefers auxiliaires radiaux et des aimants. Le rôle des aimants est la réduction des flux de fuites entre les griffes consécutives. La figure I.11 (c) montre une représentation de ce type de structure.
• [ZHA14] : La référence étudie une machine à double excitation parallèle afin d’avoir une plage de vitesses de fonctionnement étendue. La machine est composée par une structure conventionnelle de rotor avec des aimants en concentration de flux. Le rotor est uni à un circuit magnétique avec un bobinage d’excitation afin de régler le flux du rotor. Le bobinage de ce circuit est statique, avec deux entrefers auxiliaires radiaux (voir figure I.11 (d)).

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Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I – ETAT DE L’ART DES MACHINES ELECTRIQUES POUR LA PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE
Introduction
I.1. Production d’électricité
I.2. Alternateur synchrone avec rotor bobiné à pôles saillants
I.2.1. Description de l’alternateur
I.2.2. Innovations dans l’alternateur principal
I.2.3. Innovations dans le système d’excitation des machines bobinées
I.3. Tendances dans le domaine des actionneurs électriques
I.3.1. Réduction des aimants permanents de forte densité d’énergie
I.3.2. Structures de fabrication facile
I.4. Choix des structures d’analyse
Conclusion
Chapitre II – ETUDE D’UN ALTERNATEUR SYNCHRO-RELUCTANT AVEC ROTOR A BARRIERES DE FLUX
Introduction
II.1. Machines synchro-réluctantes (MSR) et leur modélisation
II.1.1. MSR sans excitation
II.1.2. MSR assistée d’aimants permanents
II.1.3. MSR à excitation bobinée
II.1.4. Modélisation des MSR
II.1.5. Adaptation de la MSR à une application alternateur à vitesse constante
II.2. Présentation du cahier des charges
II.3. Modélisation numérique de l’alternateur
II.3.1. Calcul du Taux de Distorsion Harmonique de la tension de sortie
II.3.2. Détermination des performances de l’alternateur en charge
II.3.2.1. Calcul des grandeurs de sortie de l’alternateur
II.3.2.2. Procédure de calcul du point de charge
II.4. Dimensionnement de l’alternateur avec rotor à barrières de flux
II.4.1. Dimensionnement de l’arc polaire
II.4.2. Dimensionnement de la barrière de flux
II.4.3. Considérations sur le circuit amortisseur
II.5. Comparaison avec l’alternateur conventionnel
II.5.1. Fonctionnement en régime permanent sur charge triphasée
II.5.2. Considérations sur le fonctionnement du circuit amortisseur
II.5.3. Conclusion
II.6. Validation expérimentale
II.7. Analyse de l’effet d’une deuxième source d’excitation
Conclusion
Chapitre III – ETUDE D’UNE EXCITATRICE A GRIFFES
Introduction
III.1. Description de la machine
III.2. Validation des résultats du modèle de calcul par éléments finis en 3D
III.3. Voies d’amélioration de l’excitatrice à griffes
III.3.1. Limitation des fuites entre la griffe et la culasse
III.3.2. Analyse des ouvertures angulaires des griffes
III.3.3. Influence du flux de fuites entre les griffes sur les performances
III.4. Bilan des quantités de matières actives pour l’inducteur à griffes et l’inducteur conventionnel
Conclusion
Chapitre IV – ETUDE D’UN ALTERNATEUR A GRIFFES A FLUX AXIAL
Introduction
IV.1. Description de la structure
IV.1.1. Considérations sur les matériaux ferromagnétiques
IV.1.2. Avantages et limitations de la structure
IV.2. Modélisation des machines électriques à flux axial et des machines à griffes
IV.2.1. Modèles spécifiques aux machines à flux axial
IV.2.2. Modèles spécifiques aux machines à griffes
IV.2.3. Choix de la modélisation
IV.3. Approche de modélisation par des modèles locaux
IV.4. Modèle analytique de l’alternateur à griffes axiales
IV.4.1. Modèle analytique avec une perméabilité magnétique infinie dans les parties ferromagnétiques
IV.4.1.1. Définition des forces magnétomotrices
IV.4.1.2. Définition de l’entrefer principal
IV.4.1.3. Définition des ampères-tours consommés dans le rotor
IV.4.1.4. Modèle des entrefers auxiliaires
IV.4.1.5. Validation avec le modèle par éléments finis en 3D
IV.4.2. Intégration des parties ferromagnétiques et de la circulation du champ associés
IV.4.2.1. Modèle des griffes
IV.4.2.2. Modèle des anneaux
IV.4.2.3. Modèle des dents
IV.4.2.4. Mise en place du système d’équations non linéaires
IV.4.3. Comparaison par rapport au calcul par éléments finis en 3D
IV.4.4. Limitations du modèle analytique
IV.5. Dimensionnement à vide
IV.5.1. Description du problème de conception par optimisation
IV.5.2. Premier problème de conception par optimisation
IV.5.3. Deuxième problème de conception par optimisation : comparaison avec une machine conventionnelle
IV.5.4. Conclusion
IV.6. Perspectives de l’étude
Conclusion
Conclusion Générale
Annexe I
Références Bibliographiques

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