Alternateur synchrone avec rotor bobiné à pôles saillants

Alternateur synchrone avec rotor bobiné à pôles saillants

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.

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].

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].

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.

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 . Ces machines ont un nombre minimal de pôles supérieur à quatre, elles ne sont pas adaptées pour notre application.

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.

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.

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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 Générale

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