Adaptation de la MSR à une application alternateur à vitesse constante

Suite à l’état de l’art sur les machines synchro-réluctantes nous pouvons établir une comparaison qualitative des caractéristiques des MSR en vue de notre application. Le nombre de symboles indique la pertinence de chacune des machines selon la caractéristique souhaitée. Pour rappel, il s’agit d’un alternateur entrainé à vitesse fixe, 1500 𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛, pour avoir 50 𝐻𝑧 dans la charge.

MSR sans excitation MSR -AP ^{MSR excitation} bobinée Densité de couple    Facteur de puissance    Type de couplage à la charge Redresseur commutation forcée +Onduleur triphasé Redresseur commutation forcée +Onduleur triphasé

Direct (besoin d’un système d’excitation)

Coût machine   

Coût de l’ensemble   

Tableau II.1. Caractéristiques des MSR

La machine MSR-AP possède parmi toutes les machines évoquées précédemment les meilleures caractéristiques au niveau de la densité de couple. La MSR sans excitation est la structure avec le coût le plus réduit. La MSR à excitation bobinée a un coût modéré au niveau de l’ensemble machine-convertisseur pour le couplage à la charge. Ce dernier critère a été décisif pour le choix de la machine, car le coût du convertisseur est très important.

Par conséquent, la MSR à excitation bobinée a été retenue pour la suite de l’étude, mais avec certaines modifications. Nous avons vu que le couple de saillance était faible pour les rotors à pôles saillants et que, en revanche, il était important pour les rotors à barrières de flux. La machine que nous allons étudier va combiner la structure du rotor à pôles saillants avec celle du rotor à barrières de flux. A notre connaissance, il n’existe pas dans la littérature de structures à barrières de flux à simple excitation bobinée.

Cependant, on trouve des structures semblables. Elles sont à double excitation et ont des aimants insérés dans les barrières de flux. Nous avons présenté ces topologies dans le chapitre I section I.2.2. Elles sont citées comme étant des machines à double excitation bi-axiale : l’alternateur BEGA [SCR05] et l’alternateur avec un rotor bobiné et compensation de la réaction d’induit [DAA12]. Ces structures ont été écartées initialement car elles ne respectent pas la contrainte industrielle de ne pas ajouter une deuxième source d’excitation. Le fait d’opter pour une structure à simple excitation permet d’avoir une certaine liberté dans le design des barrières de flux, comme dans le cas des MSR sans excitation.

Chapitre II – ETUDE D’UN ALTERNATEUR SYNCHRO-RELUCTANT A BARRIERES DE FLUX

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Description de l’alternateur synchro-réluctant à barrières de flux

Le point de départ pour la machine recherchée est le rotor à pôles saillants conventionnel. Nous avons décidé de garder les caractéristiques suivantes de ce rotor :

 La forme des encoches du rotor, parce qu’elles facilitent l’insertion du bobinage. Ceci équivaut à garder parallèle le fond d’encoche du rotor par rapport à l’axe du pôle. Cette forme permet également de ranger les fils du bobinage. Ce type de bobinage a une meilleure évacuation des pertes cuivre dans le rotor.

 Les cornes polaires, car elles sont nécessaires pour avoir une bonne qualité de tension de sortie. Cela sera montré ultérieurement. De ce fait, les arcs polaires peuvent être plus importants.

Ces deux caractéristiques de la forme des pôles du rotor influent sur le choix de la forme des barrières de flux. La figure II.6 montre les lignes de champ d’un pôle avec cette forme pour l’axe d (a) et pour l’axe q (b). Les barrières de flux par principe doivent laisser le passage des lignes de champ dans l’axe d et empêcher leur circulation dans l’axe q.

(a) (b)

Figure II.6. Lignes de champ pour un rotor à pôles saillants dans l’axe d (a) et dans l’axe q (b)

La structure de la figure précédente a un arbre du rotor amagnétique pour mettre en évidence la forme idéale des lignes de champ. En pratique et dans notre étude, l’arbre est fabriqué dans un matériau ferromagnétique. L’effet de saillance de la structure sera affaibli par ce choix.

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La géométrie du rotor avec uniquement une barrière de flux est présentée sur la figure II.7. La forme de barrière de flux la plus adéquate est similaire aux barrières en U. Elle suit les lignes de champ d’axe d de la figure précédente. Afin d’avoir une tôle unique ou monobloc, la barrière a deux ponts du côté de l’entrefer qui sont appelés ponts tangentiels. Pour assurer la tenue mécanique de la structure, deux ponts, nommés ponts radiaux, sont ajoutés près de l’arbre. Ces ponts divisent la barrière en deux parties : la partie centrale et la partie radiale (constituée par les extrémités de la barrière). La partie centrale de forme circulaire aide à la tenue mécanique de l’ensemble.

Figure II.7. Rotor synchro-réluctant avec une barrière de flux

Nous abordons dans ce chapitre le dimensionnement du rotor synchro-réluctant à barrières de flux. Le stator est celui d’une machine conventionnelle à pôles saillants. Ce stator est adapté au cahier des charges présenté dans la section II.2. D’un point de vue industriel, ce choix permet de garder les outillages qui sont déjà en place pour la fabrication du stator.

L’approche de modélisation choisie est basée sur le calcul par éléments finis en 2D. Cela se justifie par la facilité de modification de la géométrie du rotor et la prise en compte de la saturation. L’approche utilise des calculs magnétostatiques par éléments finis. La démarche utilisée pour le dimensionnement est expliquée dans la section II.3.

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