Dimensionnements des machines à aimants

 Les aimants permanents sont utilisés dans les machines depuis longtemps. Les travaux récents effectués sur leur développement ont permis d’améliorer leurs performances, notamment grâce à l’usage des terres rares, ce qui a conduit à élargir leurs domaines d’application. Etant donné le coût de ces matériaux, leur utilisation est souvent limitée aux machines de petites puissances (<10kW). Néanmoins, étant donné que les puissances massiques des machines utilisant les nouvelles nuances d’aimants (NdFeB) sont plus élevées que les technologies conventionnelles de machine synchrones et que les machines asynchrones, il est possible de rencontrer des machines à aimants plus puissantes (quelques MW) pour certaines applications, dans lesquelles les encombrements doivent être réduits. On peut citer notamment la propulsion navale, la traction ferroviaire et l’éolien. Dans ce chapitre, nous allons proposer une modélisation de la machine à aimants permanents, qui sera adaptée à des machines où les aimants sont placés en surface, cette modélisation est celle actuellement utilisée par le calcul électrique afin de répondre aux appels d’offres des clients. Nous allons également évoquer la détermination des performances de ce type de machine en donnant un moyen d’estimer analytiquement les pertes dans les parties les plus importantes (cuivre, aimants et tôles magnétiques). Nous ferons également une présentation des dispositifs utilisés dans le but de réaliser l’alimentation de ce type de machine. Nous nous focaliserons ensuite sur les défauts qui peuvent être rencontré dans une chaîne de conversion de puissance, le but étant d’avoir une idée assez claire des défaillances afin de proposer une solution avec une fiabilité accrue. Pour finir, les expressions alors proposées seront utilisées dans le but d’effectuer un calcul d’optimisation, le but étant d’avoir la sensibilité des dimensionnements vis-à-vis de différents paramètres afin de déterminer en fonction du cahier des charges souhaité le design y répondant au mieux.

 La première étape de dimensionnement d’une machine consiste à estimer les dimensions au niveau de l’entrefer de la machine. L’élément dimensionnant d’une machine est son couple. L’expression de la force de Laplace d’un conducteur placé dans un champ magnétique en présence d’un courant est donnée par [2.1]. Un couple étant le produit d’une force et d’un bras de levier, dans le cas d’une machine électrique le bras de levier correspond au rayon d’entrefer, on obtient alors l’expression [2.2].Dans cette expression F représente la norme de la force et D le diamètre d’alésage de la machine. En effet comme on peut s’en rendre compte dans la comparaison présentée en Table 2.1. Pour une puissance donnée, une machine à vitesse lente aura un grand diamètre et une longueur faible devant ce diamètre alors qu’une machine rapide aura quant à elle une longueur plus importante que son diamètre. De façon simplifiée, il est possible d’utiliser le schéma de la Figure 2.1 pour comprendre l’origine du couple dans une machine électrique.

où At représente les ampères tours situés au stator de la machine L’induction dans l’entrefer dépend de la technologie de machine et du mode d’excitation. Pour une machine à aimants il est intéressant d’avoir une induction d’entrefer élevée pour exploiter une densité de force élevée. On remarque d’ailleurs Table 2.1 un écart sur les densités de force rencontrées pour les deux machines considérées où le mode de refroidissement est identique. Il convient toutefois de remarquer que cet écart est également en partie dû aux épaisseurs d’entrefer utilisées qui influent sur l’induction, puisque la machine rapide a un entrefer plus important pour des raisons liées à l’application. La densité linéique a également une signification thermique puisqu’elle contribue à la densité de puissance que doit pouvoir extraire le système de refroidissement choisi. Dans le cadre des machines, les modes de transfert de la chaleur rencontrés sont : La performance du refroidissement est également dépendante des surfaces mises en jeu. Pour améliorer le refroidissement par convection naturelle avec l’air ambiant, des ailettes sont placées sur les carters des machines dans le but d’augmenter les surfaces d’échanges. Toutefois, le rendement des machines électriques (pour des puissances autour du mégawatt) étant généralement compris entre 94 et 98%, l’augmentation de la puissance des machines conduit à des pertes à évacuer plus importantes. Lorsque la convection forcée est privilégiée, les échanges sont réalisés en utilisant des « canaux » placés à l’intérieur de la machine dans lequel le fluide peut circuler. On distingue 2 familles de machines en fonction de leur mode de refroidissement : celles qui sont autonomes, on parle de mode de refroidissement direct, et celles qui nécessitent l’utilisation d’un dispositif auxiliaire et on parle alors de refroidissement indirect. Pour le mode direct, la convection naturelle peut être utilisée ou un refroidissement utilisant la convection forcée peut également être ajouté. Dans ce cas, un ventilateur est accouplé à l’arbre de façon à propulser l’air ambiant dans l’entrefer et sur la surface des carcasses. Pour le mode de refroidissement indirect, un dispositif auxiliaire, intégré dans la structure, est alors utilisé pour forcer la circulation d’un fluide (motoventilateur, pompe) dans les parties actives de la machine comme décrit Figure 2.2.