Optimisation de machines synchrones à simple et 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. Le but recherché à travers l’hybridation des deux sources d’excitation est d’allier les avantages des machines à aimants permanents (rendement élevé) à ceux des machines à excitation bobinée (souplesse de commande par le contrôle du flux d’excitation) [7] [8]. Cependant, dans les applications où la machine à double excitation viendrait remplacer une machine à aimants permanents, l’apport des machines à double excitation doit être tempéré par l’ajout de l’alimentation des bobines d’excitation. Les entraînements électriques à base de machines synchrones à aimants permanents sont présents dans un très grand nombre d’applications industrielles. Parmi les avantages de ces dispositifs, il est important de souligner l’amélioration du rendement énergétique lié à l’utilisation des aimants permanents. Cependant, certains inconvénients liés au flux d’excitation constant, que créent les aimants permanents, sont à considérées. En effet le fonctionnement à vitesse variable, et plus particulièrement à vitesse élevée, de ces machines est plus problématique que celui des machines à excitation bobinée par exemple. Les machines à double excitation tentent de pallier à ces inconvénients en alliant les avantages des machines à aimants permanents (très bon rendement énergétique) à ceux des machines à excitation contrôlable (facilité de fonctionnement à vitesse variable). Une application intéressante pour ces machines est la traction des véhicules électriques ou hybrides. Dans une telle application les points de fonctionnements les plus sollicités de la machine de traction, se trouvent dans les zones de charge partielle. Si une machine à double excitation est utilisée pour la traction, il est plus aisé de caler les zones de rendement optimal sur les zones de fonctionnements les plus sollicitées en comparaison des autres technologies de machines électriques. Le rendement énergétique du système de traction s’en trouverait amélioré. Par ailleurs, si la double excitation permet de réduire le flux d’excitation dans une certaine mesure, il n’est pas nécessaire d’avoir une réaction magnétique d’induit relativement élevée pour pouvoir “défluxer” la machine, comme c’est le cas pour les machines à aimants permanents, ce qui a pour conséquence de permettre un fonctionnement avec un bon facteur de puissance. Ceci permet un dimensionnement optimal de l’ensemble convertisseur – machine. Une autre application est la génération de puissance électrique à bord des véhicules automobiles. L’augmentation rapide des besoins en puissance électrique dans les véhicules automobiles, due à la présence d’équipements électriques d’assistance à la conduite, de confort et de sécurité, pousse les équipementiers à chercher des solutions innovantes et bon marché pour la génération électrique de bord. Les machines à aimants permanents, si ce n’est leur flux d’excitation constant, qui nécessite, de ce fait, l’utilisation d’un redresseur commandé peuvent constituer une solution très intéressante pour la génération de bord [9].L’utilisation d’un redresseur commandé constitue, cependant, un inconvénient dans le sens où il augmente le prix global du système de génération qui serait déjà bien pénalisé par l’utilisation des aimants permanents. De plus dans le cas où la machine subit un défaut, tel que le court-circuit d’une de ses phases ou de toutes ses phases, ce qui signifie que le flux total les traversant est nul, il est intéressant de pouvoir annuler le flux d’excitation de manière à annuler également le flux de réaction magnétique d’induit, ce qui est impossible dans le cas des alternateurs à aimants permanents. L’utilisation des machines à double excitation permet de garder le redresseur à diodes classique et de réduire ainsi les coûts par rapport à une solution avec un alternateur à aimants permanents, et de réduire le risque, en cas de défauts. Ces deux applications semblent les plus prometteuses, mais il faut dire que d’autres applications peuvent être envisagées. On peut notamment citer les générateurs dans les réseaux de bord en avionique. De manière générale les applications pour lesquelles l’utilisation des machines à double excitation peut être bénéfique sont celles qui peuvent tirer profit du degré de liberté supplémentaire offert par ces machines. Plus précisément c’est les applications pour lesquelles le point de fonctionnement varie dans le plan (puissance – vitesse) et pour lesquelles il existe une zone de fonctionnement plus particulièrement sollicitée 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.

Modélisation pour le dimensionnement optimal des machines électriques

     Nous commencerons cette partie par présenter un état de l’art relativement succinct concernant la modélisation des machines électriques pour leur dimensionnement optimal. Cet état de l’art permettra de justifier notre choix d’utiliser les réseaux de réluctances pour la modélisation des machines à double excitation étudiées. Dans un deuxième temps, la méthode choisie, à savoir la méthode des réseaux de réluctances, sera présentée plus en détail. Avant d’entamer la présentation de l’état de l’art, une clarification concernant la terminologie utilisée dans la littérature dédiée à la modélisation des machines électriques doit être apportée. En effet, quelle que soit la méthode de modélisation adoptée, il est à noter que toutes les démarches de dimensionnement optimal requièrent un traitement numérique, que ce soit au niveau de la méthode de modélisation elle-même ou au niveau de l’algorithme d’optimisation. Cependant, une différenciation est généralement faite entre les méthodes de modélisation pour lesquelles la solution des équations régissant les phénomènes physiques que l’on désire étudier (équations de Maxwell, si l’on désire se limiter à l’étude des phénomènes électromagnétiques) est établie de manière analytique formelle (modélisation analytique), ou de manière numérique en discrétisant l’espace d’étude (modélisation numérique). Il est à noter que la méthode des réseaux de réluctances, qui s’apparente plus à une modélisation numérique, est souvent désignée comme étant une méthode de modélisation semi-numérique. Cela est dû au fait que passée l’étape de discrétisation de l’espace d’étude, le calcul des valeurs des réluctances des différentes parties de la machine (tubes de flux) est souvent basé sur des formules analytiques. Il est à noter que la constitution d’un réseau de réluctances est souvent précédée par des calculs à l’aide de la méthode des éléments finis (méthode numérique).

Machines synchrones à simple excitation

    Les machines synchrones fonctionnent généralement avec une seule source d’excitation, soit des aimants permanents, soit des bobinages d’excitation. La distribution des lignes de flux dépend de ces sources, nous présentons dans ce paragraphe les configurations du rotor et le type de bobinage utilisé dans la suite pour les machines à double excitation. Pour l’ensemble des machines étudiées avec présence d’excitation bobinée nous gardons le même stator et les mêmes dimensions des parties 3D (flasque statorique, tête de bobines …), seules les configurations du rotor changent. Pour les machines à aimants seule la partie feuilletée du stator est utilisée. La Figure 48 montre le stator utilisé. Il s’agit d’un stator à bobinages concentriques avec une dent thermique entre deux phases voisines, cette dent permet d’augmenter le transfert de chaleur des bobines vers la culasse (qui est le lien avec le milieu extérieur). Toutefois, l’aspect thermique n’est pas pris en compte dans cette étude. Les dimensions du stator sont données dans le Tableau 5. L’entrefer non actif, représente l’air entre le flasque statorique et les collecteurs rotoriques, il sera présenté dans la suite (Figure 51 .b.).

Influence de l’entrefer de la partie non active

     L’entrefer de la partie non active situe aux extrémités de la machine entre les collecteurs rotoriques et le stator. Bien qu’il ne soit pas utilisé à la conversion d’énergie (contrairement à l’entrefer dans la longueur active), il influence sur le flux homopolaire dans la machine et sur l’efficacité de contrôle par les bobines d’excitation. L’entrefer original de la structure est de 0,3 mm. La Figure 67 montre le flux à vide pour différentes valeurs d’entrefer : la variation est comprise entre 20% (0,06 mm) et 140% (0,42 mm) de la valeur originale. A courant d’excitation nul, le flux à vide est réduit avec la diminution de l’entrefer. Cela s’explique par le fait qu’une plus grande partie du flux ne se referme pas dans la zone active, mais prend la trajectoire homopolaire. (Le flux à vide passe à -10,5 %, -4,3 % et 3,1 % pour 20 %, 60 % et 140 % respectivement) Les flux maximal et minimal sont presque inchangés (différence inférieure à 2 %). On constate que l’effet de la saturation magnétique est moins prononcé dans le cas des grandes valeurs d’entrefer, ceci est dû à la réluctance d’entrefer qui introduit un lissage de la courbe flux- courant, contrairement aux faibles valeurs d’entrefer où la saturation apparaît pour des courants d’excitation plus faibles. D’un autre côté on note que la pente de variation du flux en fonction du courant d’excitation change en fonction de la valeur de l’entrefer, on remarque que toutes les courbes présentent un point d’intersection pour un courant égal à 2 A pour cette valeur de courant les flux à vide de différents entrefers sont superposés. La Figure 68 montre le flux en fonction de la position pour différents valeurs d’entrefer d’excitation pour deux courants (Iex=0 A et 2 A), on remarque la superposition des courbes pour le courant Iex=2 A quelle que soit la valeur de l’entrefer non actif.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART 
INTRODUCTION
I. MACHINES SYNCHRONES A DOUBLE EXCITATION
1. Principe de fonctionnement et domaines d’applications
2. Critère de classification des machines synchrone à double excitation
3. Structures de machines à double excitation
II. MODELISATION POUR LE DIMENSIONNEMENT OPTIMAL DES MACHINES ELECTRIQUES 
1. Différents types de modélisation
2. Modélisation par réseaux de réluctances
III. POSITIONNEMENT DU TRAVAIL DE THESE
CHAPITRE 2 MODELES 2D DE LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS A CONCENTRATION DE FLUX. : COMPARAISON ET VALIDATION
INTRODUCTION
I. PRESENTATION DES MODELES BASES SUR LES RESEAUX DE PERMEANCES 2D
1. Constitution du réseau par maillage avec réluctances élémentaires (modèle bidirectionnel)
2. Modélisation de l’entrefer
3. Représentation des sources et automatisation des méthodes utilisées
4. Résolution du schéma réluctant
5. Calcul du couple par schéma réluctant
II. PRESENTATION DE LA METHODE DE MODELISATION PAR LE COUPLAGE ELEMENTS FINIS- RESEAU DE PERMEANCES
1. Principe de la méthode
2. Tube de flux élémentaire
3. Etude de cas simples
4. Etude de la machine à concentration de flux
III. COMPARAISON ENTRE MODELES
CONCLUSION
CHAPITRE 3 MODELISATION PAR RESEAUX DE PERMEANCES « TRIDIMENSIONNELS » DES MACHINES SYNCHRONES A DOUBLE EXCITATION
INTRODUCTION
I. PRESENTATION DES RESEAUX DE PERMEANCES 3D POUR LES MACHINES A DOUBLE EXCITATION
1. Choix de la machine
2. Génération des systèmes de matrice
3. Résolution du système d’équations
II. MODELISATION DES MACHINES SYNCHRONES A L’AIDE DU RDP 
1. Machines synchrones à simple excitation
2. Machine synchrone à double excitation à concentration de flux
3. Machine synchrone à double excitation à aimants enterrés
4. Comparaison entre les machines à double excitation
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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