Outils de caractérisation des topologies de Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP)

Bobinage des Machines Synchrones à Aimants Permanents polyphasées

Le principe d’une MSAP est basé sur l’interaction entre le champ magnétique créé par le stator, via l’alimentation en courant des enroulements, et celui créé par le rotor, à travers les aimants permanents. Pour de telles machines où le bobinage est uniquement du côté du stator, la fonction de ce bobinage est de créer un champ magnétique tournant quand une alimentation contrôlée en courant est appliquée aux différentes phases au stator. Pour cela, les conducteurs doivent être logés dans les encoches de manière à ce que les enroulements des phases produisent des flux magnétiques, régulièrement déphasés d’un angle électrique égal à ( 2 m ). Il existe plusieurs méthodes pour réaliser ces bobinages. Afin de réaliser un bobinage adapté et équilibré, il convient que des règles de symétrie soient respectées. Dans ce cas le remplissage des encoches conduit à un système m-phasé dont les phases sont régulièrement décalées d’un angle de ( 2 m ) électrique. Le mode de connexion des conducteurs d’une même phase détermine alors le type de bobinage. Les catégories de bobinage peuvent être classifiées selon leurs structures et la disposition des conducteurs dans les encoches, comme l’illustre la Figure 54 tirée de [40] et [82]. 79 Figure 54: Classification de bobinages suivant leur disposition [40, 82]. (a): bobinage croisé distribué ; (b): bobinage croisé concentré ; (c): bobinage concentré autour des dents double couches ; (d): bobinage concentré autour des dents simple couche. Avec les bobinages croisés (à pas entiers), il est plus aisé d’allonger le pas de bobine au pas polaire. Mais étant donné que les bobines sont logées dans des encoches non adjacentes, la longueur des têtes de bobines devient alors importante. Contrairement au bobinage concentré autour des dents où les encoches d’une même bobine sont adjacentes.

Bobinage à pas entier

Généralités

Le bobinage à pas entier consiste à distribuer les conducteurs d’une même phase dans les encoches du stator de telle sorte que la force magnéto motrice (FMM) créée par une phase lorsqu’elle est alimentée par un courant alternatif (sinusoïdale avec éventuellement des harmoniques dans le cas polyphasée), soit d’une onde tournante avec le moins d’harmoniques non désirables possible (celles qui ne contribuent pas à la production de couple électromagnétique). Il est à noter que la périodicité de ce type de bobinage correspond à une paire de pôles et que le nombre d’encoche par pôle et par phase défini par l’équation (3.1) doit être entier. Ainsi, plus les bobines sont distribuées (qui impose une valeur de q élevée), plus les harmoniques parasites de la FMM sont éliminées. 2 Qs q pm  (3.1) Qs étant le nombre total d’encoches, p le nombre de paires de pôles et m le nombre de phases.

Exemples pour 1 encoche/pôle/phase

Pour construire un tel bobinage à 1 encoche/pôle/phase il faut d’abord définir le nombre de phases souhaité, analyser le système souhaité en sortie (par exemple une structure à 5 phases régulièrement réparties ou à 2X3 phases), puis disposer les conducteurs de phases en accord avec ce système. Dans notre cas, où les structures prises en compte sont celles à 5 phases régulièrement réparties (déphasage de 2 5  électrique entre les FEM), celles à 2X3 phases en phase (pour chaque étoile, les FEM des phases sont décalées de 2 3  électrique et les deux étoiles sont en phases) et celles à 2X3 phases décalées (pour chaque étoile, les FEM des phases sont décalées de 2 3  électrique et les deux étoiles sont décalées de  6 ). La construction d’un système à 2X3 phases en phase se construit de la même manière qu’un système triphasé classique, avec le motif représenté par la Figure 55. Mais pour faire la distinction entre les deux étoiles, il faut répartir arbitrairement les conducteurs qui vont représenter chaque étoile. Pour construire un système à 5 phases, le motif à suivre est celui représenté par la Figure 56. La construction d’un système 2X3 phases peut se faire soit en considérant le motif de base de la Figure 57, soit en prenant en compte un système à 12 phases, puis les phases qui se situent sur le même axe (en opposition de phase) sont regroupés en inversant le sens de bobinage de l’une, de manière à former un système double triphasé décalé de 30° électrique. Figure 55: Représentation d’un système 2X3 phases et motif de base correspondant pour un bobinage à 1 encoche/pôle/phase. Figure 56: Représentation d’un système 5 phases et motif de base correspondant pour un bobinage à 1 encoche/pôle/phase. a -c b -a c -b a -d b -e c -a d -b e -c 81 Figure 57:Représentation d’un système 2X3 phases décalées de 30°, et motif de base correspondant pour un bobinage à 1 encoche/pôle/phase. Un bobinage à pas entier est très avantageux en termes de filtrage des harmoniques de FMM (surtout s’il repose sur un nombre élevé d’encoche/pole/phase), cependant il présente des inconvénients : la longueur des têtes de bobines est importante et les conducteurs de plusieurs phases s’entrecroisent ce qui peut favoriser la propagation d’un défaut d’une phase à l’autre (en cas de sur échauffement d’une phase par exemple). Dans la mesure où une tolérance aux défauts et la compacité est visée dans cette étude, l’option d’un bobinage à pas entier n’est pas considérée et l’étude est donc axée sur les bobinages concentrés autour des dents à pas fractionnaires.

Bobinage à pas fractionnaire

Généralités et caractéristiques

Pour un tel bobinage, le nombre d’encoche par pôle et par phase est fractionnaire, et est représenté par l’équation (3.2). 2 Q z s q pm n   (3.2) z et n étant les plus petits entiers possibles. Pour un bobinage entier, la périodicité du bobinage est égale à une paire de pôle (qui est alors la période du fondamental de la FMM dans l’entrefer), alors que dans le cas d’un bobinage à pas fractionnaire, la période du bobinage statorique couvre un certain nombre de pôles. Contrairement au bobinage entier où il est requis une bonne distribution ( q élevée) qui impose un nombre élevé d’encoche, il y a moins de contrainte à ce niveau pour un bobinage à pas fractionnaire. Pour un nombre fixe d’encoches, il y a alors plus de possibilité de produire un bobinage fractionnaire équilibré qu’un bobinage à pas entier [82, 83]. a a’ -c -c’ b b’ -a -a’ c c’ -b -b’ 82 Dans cette étude, on s’intéresse à un cas particulier de bobinage à pas fractionnaire, à savoir le bobinage concentré autour des dents. Ce type de bobinage présente des avantages en termes de compacité car la longueur de têtes de bobines est réduite comme le montre les exemples de la Figure 58. Les bobinages concentrés fractionnaires sont également caractérisés par des niveaux de couple de détente faibles. Les aspects liés à la tolérance aux défauts, et aux capacités de défluxage peuvent également être améliorées par ce type de bobinage [40]. Ces bobinages concentrés présentent également des avantages de mise en œuvre car ils sont plus faciles à fabriquer et permettent de mieux remplir les encoches. Il est possible de construire des bobinages concentrés à simple couche ou à double couche. Cependant le bobinage concentré double couche est souvent privilégié dans la littérature dans la mesure où il conduit souvent à un contenu harmonique de FMM plus pauvre que celui à simple couche (en particulier pour les machines triphasées).