Le bobinage triphasé dentaire

Il existe de nombreuses références actuelles sur le choix de ce bobinage en vue d’améliorer l’efficacité énergétique des machines électriques. Avant de détailler leurs avantages et inconvénients en lien avec différentes catégories de bobinage, nous allons les présenter. Ces différents bobinages, dénommés pour les plus courants, concentriques, en section, par pôles, par pôles conséquents etc… constituent alors une famille dite de « bobinage distribué ». Hormis le fait que ces bobinages permettent de créer une force magnétomotrice quasi sinusoïdale, ils présentent comme inconvénient majeur d’avoir des têtes de bobines conséquentes et volumineuses, Figure 26.

Ce volume de cuivre, placé dans l’air, n’est pas générateur d’induction dans l’entrefer puisqu’il n’est pas implanté dans la denture statorique de la machine. Il représente en fait une source de pertes cuivre et un volume qui pourrait être optimisé. En plus des pertes évoquées, ces têtes de bobines sont le siège de forces magnétiques de Laplace qui peuvent provoquer des vibrations de la tête de bobine ou « cage de développantes » pour les grosses unités de production de type alternateur, enfin engendrer des déformations modales de ces têtes de bobines, mais pas de phénomène vibratoire du circuit magnétique.

Dans l’optique de répondre à la norme IEC 60034-30, (cf. § 1.3), la solution consiste à réaliser un bobinage dit « dentaire » ou « concentré sur dents ». Globalement la technique consiste à réaliser des bobines élémentaires implantées autour d’une dents statoriques, [35], [36], Figure 27 a-b. Dans [36],[37] Ayman M. El Refaie compare différentes machines à aimants surfaciques et enterrés, simple et double bobinage dentaire. Ce type de bobinage, a gagné en intérêt depuis plus d’une décennie, compte tenu des nombreux avantages qu’il procure pour les concepteurs de machines. Ces avantages et /ou inconvénients qui entrent en ligne de compte concernent, les têtes de bobines, le facteur de remplissage, la possibilité de fonctionnement en défluxage, le couple de détente, enfin la mise en œuvre et la fabrication.

(a) : Bobinage simple couche (b) : Bobinage double couche

Figure 26: Tête de bobine de bobinages distribués.

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Le Tableau 2, issu de la thèse de [38] compare différents types de bobinages et permet de dresser un bilan non exhaustif des avantages et inconvénients des solutions proposées, aussi les différentes réalisations référencées ces dernières années, proposent et exploitent un bobinage dentaire double couches. On notera cependant, pour la ligne « bruit » du tableau proposé, que les valeurs élevées (+) ou basses (-) ne peuvent être prise en compte comme telles ! En effet, elles restent tributaires des fréquences de résonances de la structure. On peut toutefois préciser que les machines dotées d’un bobinage dentaire présentent, si l’on se place au niveau de la pression radiale, un spectre riche en harmonique et potentiellement élevé en termes de nuisances acoustiques. Ce point important sera détaillé au cours du chapitre second.

+ : Valeur élevée

- : Valeur basse Bobinage croisé réparti Bobinage croisé dentaire

Bobinage dentaire (non croisé) Simple couche Double couche Inductance mutuelle entre phase ++ (bobines croisées) ++ (bobines croisées) - +

Fuite entre les encoches

Tête de bobine Longue Longue Courtes Très courtes

Inductance propre + ++ + (inductance de fuite) - (Inductance de fuite) Pertes au rotor (Echauffement-Effet de peau) ++ Pas d’harmonique FMM ++ Peu d’harmonique FMM - - Riche en harmonique FMM - Moins riche en harmonique FMM Bruit ++ + - - - Nombre de combinaisons (encoches/pôles) pouvant accueillir le bobinage - - - - + ++ Facilité de mise en œuvre - - - ++ + Facteur de bobinage + ++ [++]* [+]* FEM-Sinusoïdale ++ + - [++]*

[*] Selon la bonne combinaison Encoche/Pôle 1.3.5.1 Les têtes de bobines et le taux de remplissage.

Au regard des Figure 26 et Figure 27, les têtes de bobines présentent, pour le bobinage dentaire, des développantes moins importantes ce qui, d’une part, contribue à accroître la compacité de machine et, d’autre part, réduit le volume de cuivre. Cela à une incidence directe sur le rendement global de la machine, tributaire des pertes par effet Joule et sa puissance massique proportionnellement augmentée.

Il apparait également, Figure 27 a, que pour le simple bobinage dentaire, les phases sont réparties sur la circonférence de la machine et occupent deux encoches successives. Ainsi, le taux de remplissage s’en trouve amélioré. En effet, l’isolation des brins qui constituent les

la possibilité de contenir des bobines élémentaires de phases différentes. En conséquence, l’isolation occupe un volume plus important dans une même encoche et le taux de remplissage est directement impacté.

1.3.5.2 Tolérance aux défauts.

La tolérance aux défauts est un problème majeur pour les machines à aimants, particulièrement dans les applications de fonctionnement en milieu hostile qui imposent un niveau de sécurité élevé afin de garantir un fonctionnement « dégradé ». Les applications liées à l’aviation et la propulsion des matériels roulants terrestres et maritimes, tout électrique, sont appropriées pour ce type de fonctionnement. Ces tolérances pour une machine concernent plus particulièrement la limitation des courants de court-circuit par une inductance élevée, l’isolation mécanique, magnétique et thermique entre les phases.

La multiplication du nombre de phases de la machine ou bien encore le doublement des circuits statoriques est un atout majeur en termes de sécurité. On retrouve de telles applications dans les propulseurs synchrones double étoile des navires électriques, les enroulements couplés en étoiles, (décalés de 30°), indépendants l’un de l’autre et alimentés par des modulateurs, eux aussi indépendants. Cette configuration peut garantir une propulsion minimum si l’un des circuits venait à « rendre l’âme ».

1.3.5.3 Défluxage des machines à aimants.

Dans [37], l’auteur compare deux machines à bobinage distribué et dentaire, il montre que les MSAPS dotées d’un bobinage dentaire possèdent une inductance plus importante comparées à celles dotées d’un bobinage distribué (pour une même induction et compte tenu de l’entrefer important des MASAPS). Il précise également que le bobinage concentré présente un potentiel important de fonctionnement en défluxé. Egalement dans [17], il précise que les MSAPE présentent de meilleurs dispositions, en comparaison aux MSAPS, pour répondre aux spécificités résumées dans le plan couple-vitesse, Figure 28 pour les futurs véhicules électriques d’ici 2020.

Globalement, le fonctionnement en défluxé des MSAP est tributaire du courant induit, de l’angle entre la force électromotrice et le courant d’induit et du rapport de saillance 𝜻, respectivement à la relation (1.3.2),[39].

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𝜻 =𝑳𝒒

𝑳𝒅 (1.3.2)

Avec : Ld inductance axe d (H), Lq inductance axe q (H).

Les machines électriques synchrones ont fait l’objet d’une classification suivant le rapport de saillance par [40], [41]. Elle fait référence à la nature de l’excitation en lien avec le bobinage, les aimants et leur implantation au rotor, la nature du rotor. La Figure 29 illustre cette classification, on y retrouve principalement les familles de machines à rotor bobiné, machines à aimants, à double excitation, les machines à reluctance variable et synchro- réluctantes.

1.3.5.4 Couple de détente

Le couple de détente est tributaire de la combinaison encoches/pôles. Ce couple de pulsation moyen nul est dû à l’aptitude des aimants à s’aligner avec le fer des dents qui composent le stator. De nombreuses techniques sont rapportées dans la littérature afin de réduire le couple de détente. Pour les plus connues, on retrouve bien sûr sur le choix du nombre d’encoche et le nombre de pôles en maximisant le Plus Petit Multiple Commun « PPCM », du couple (Zs, p) afin de réduire l’ondulation, mais aussi agir sur l’arc

polaire des aimants, l’angle d’inclinaison (vrillage) ou le décalage des aimants montés suivant l’axe du rotor, ou bien encore en plaçant des encoches factices, etc…,[42], [43], [44].

Dans son mémoire de thèse, Islam Mohamed Rakibul [45] traite tout particulièrement du couple oscillant et du couple de détente ou réluctant. Il démontre que les variations de couple ne sont en rien responsables du bruit magnétique. Mais que le bruit et les vibrations des machines sont la conséquence des contraintes électromagnétiques exercées dans l’entrefer. C’est pourquoi, on peut penser qu’une machine dotée de bonnes qualités électriques en termes de couple de détente ou d’ondulation, peut être potentiellement bruyante ! Machines synchrones Aimants permanents (MSAP) Rotor Bobiné (MSRB) Double Excitation (MSDE) Reluctance Variable (MSRV) Synchro- Réluctante (MSR) Pôles

saillants lissesPôles

< 1 1

MSAPE

(saillance normale) MSAPS

1 < 1 ou > 1 > 1

MSAPE (saillance inverse)

< 1

> 1