Choix de la motorisation électrique du projet Archybald

Une machine électrique destinée à la propulsion hybride se doit de répondre à des exigences multiples que ce soit en fonctionnement moteur ou générateur. Son intégration dans un système embarqué implique des contraintes en termes de puissance et de couple volumique ; les contraintes thermiques sur ce type de dispositif sont donc fortes. Par ailleurs, le caractère embarqué implique un niveau de tension du bus continu qui peut être relativement faible au regard des réseaux terrestres. Avec ce type de système de la basse tension et du courant fort, l’utilisation de machines polyphasées peut conduire à des caractéristiques intéressantes en termes de pulsations de couple (vibration et bruit), tout en pouvant accepter des forces électromotrices non sinusoïdales. Par ailleurs, l’utilisation de machines polyphasées permet intrinsèquement d’augmenter la fiabilité de la machine en cas de défaut d’onduleur. Pour autant, dans le cadre du travail proposé dans ce mémoire, il a été décidé de se limiter à des machines triphasées, en particulier parce que la commande est à ce jour bien maîtrisée et que l’innovation des travaux portaient préférentiellement sur les aspects méthodologiques de conception systémique. Toutefois, avant de présenter le choix de structure de machine retenue dans cette étude, nous proposons un bref état de l’art des machines électriques potentiellement utilisables dans une chaine de traction hybride série/parallèle.

1.5.1. Différents catégories de machine électrique

De nombreuses références plus ou moins récentes ont déjà proposé une classification des différents types de machines électriques tournantes en présentant les avantages et les inconvénients de chaque type [ALHASSOUN05] [AMARA01] [Chedot04] [Electrotechnique] [GASC04] [Puranen06] [SINGH06]. Principalement, les machines électriques envisageables sont les machines à courant continu, les machines asynchrones ou à induction, les machines à réluctance variable et enfin les machines synchrones. En ce qui concerne les machines synchrones, nous pouvons classer les machines encore plus finement en utilisant le rapport de saillance qui correspond au rapport de l’inductance dans l’axe direct d sur celle dans l’axe en quadrature q : Lq/Ld [Chedot04]. La Figure 1.26 présente de façon synthétique une classification possible.

40 Machine électrique

tournante

Machines à courant continu Machine asynchrone Machine à réluctance variable Machine Synchrone

Machine synchrone à réluctance variable Machine synchrone à aimants permanents MCC avec balais-collecteur MCC à AM (rotor) brushless MAS à rotor bobiné MAS à cage d’écureuil Machine synchrone à double alimentation MS à pôle lisse MS à pôle saillant MCC à inducteur

(stator) bobiné MCC à AM (stator)

MSRV avec rotor massif

MSRV avec rotor de barrière de flux MSRV avec rotor laminé axialement Machine électrique tournante

Machines à courant continu Machine asynchrone Machine à réluctance variable Machine Synchrone

Machine synchrone à réluctance variable Machine synchrone à aimants permanents MCC avec balais-collecteur MCC à AM (rotor) brushless MAS à rotor bobiné MAS à cage d’écureuil Machine synchrone à double alimentation MS à pôle lisse MS à pôle saillant MCC à inducteur

(stator) bobiné MCC à AM (stator)

MSRV avec rotor massif

MSRV avec rotor de barrière de flux

MSRV avec rotor laminé axialement

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1.5.1.1. Machine à courant continu avec balais-collecteur

Classiquement, la machine à courant continu avec balais-collecteur est constituée principalement d’un inducteur (au stator) qui peut être bobiné et alimenté par un courant continu (voir Figure 1.27) ou qui peut être à aimants permanents (machine à courant continu à aimants permanents). L’induit (au rotor) est quant à lui bobiné (bobinage polyphasé) et alimenté par du courant continu ondulé par le système balais-collecteur qui se comporte comme un commutateur mécanique : le sens du courant traversé dans le bobinage du rotor est inversé par chaque alternance des pôles magnétiques statoriques [ALHASSOUN05] [Bonal97].

1.5.1.2. Machine à courant continu à aimants permanents (rotor) sans balais-collecteur (brushless)

Il est possible de placer l’induit de la machine à courant continu au stator et de placer l’inducteur au rotor. On obtient alors une machine synchrone à aimants permanents où le champ est tournant, alors qu’il est fixe dans la machine à courant continu. Si les f.é.m. sont de formes trapézoïdales et les courants en quasi-créneaux, on a une analogie forte sur les formes d’onde et sur le principe de fonctionnement entre la machine à courant continu et la machine synchrone à aimants permanents. Pour cette raison, on parle de moteur à courant continu sans balais ou en anglais brushless [Salminen] [Hendershot94]. Le Tableau 1.8 présente une comparaison entre la machine à courant continu à aimants permanents avec balais-collecteur et la machine à courant continu sans balais.

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Tableau 1.8 Comparaison entre la machine à courant continu à aimants permanents avec balais- collecteur et la machine à courant continu sans balais [Electrotechnique]

MCC avec balais-collecteur Machine à courant continu sans balais

Avantages Caractéristiques générales :

• Simplicité du variateur de hacheur ;

• Prix bas ;

• Pas d’électronique interne.

Caractéristiques dynamiques et statiques :

• Bien adaptée aux basses vitesses où elles ont une régularité de marche excellente.

Caractéristiques générales :

• Pas d’entretien car pas de collecteur, donc utilisable en atmosphère explosive, corrosive ;

• Excellente dissipation thermique (pertes joules au stator seulement).

Caractéristiques dynamiques et statiques :

• Puissance massique élevée ;

• Vitesse max élevé car pas de collecteur ;

• Faible inertie en forte accélération. Inconvénients Caractéristiques générales :

• Entretien pour balais et collecteurs ;

• Se dégrade en atmosphère corrosive, explosive.

Caractéristiques dynamiques et statiques :

• Vitesse max limitée par le collecteur.

Caractéristiques générales :

• Electronique interne ;

• Prix élevé ;

• Structure d’alimentation et de régulation complexe mais maîtrisée.

Caractéristiques dynamiques et statiques :

• A basse vitesse les harmoniques peuvent créer des ondulations de couple.

Figure 1.28 Machine asynchrone (ou à induction) avec rotor bobiné [ALHASSOUN05] [Divoux99]

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1.5.1.3. Machine asynchrone ou machine à induction

Dans ce type de machine, la vitesse de rotation du rotor n’est pas proportionnelle à la fréquence des courants du stator, c'est-à-dire que la fréquence de rotation du champ magnétique créée par le stator et la vitesse de rotation du rotor ne peuvent pas être synchrone. On parle donc de la machine asynchrone ou encore de machine à induction car les courants rotoriques sont créés par induction.

1). Machine asynchrone à rotor bobiné

Le rotor de la machine peut être bobiné comme le stator (voir Figure 1.28). Dans ce cas, la mise en court-circuit des bobinages rotoriques se fait par intermédiaire d’un système de contacts tournants à trois bagues et trois balais [PinsonC34]. Ce type de machine est plutôt réservé à la forte puissance.

2). Machine asynchrone à rotor à cage d’écureuil

Dans les applications de petites et moyennes puissances (inférieures à 100 kW) [PinsonC34], le rotor est composé de barres en aluminium ou en cuivre qui sont reliées entre elles par l’intermédiaire de deux anneaux circulaires : cette structure est appelée ‘cage d’écureuil’ [ALHASSOUN05]. La cage d’écureuil (voir Figure 1.29) est équivalente à un bobinage polyphasé (chaque barre est une phase) avec une grande section et une faible résistance. Le champ tournant statorique induit dans les barres des tensions induites qui, du fait des courts-circuits, sont à l’origine des courants induits (courants de Foucault). Ces courants créent eux-mêmes un champ tournant qui est synchrone du champ statorique et l’interaction des deux champs est à l’origine du couple.

1.5.1.4. Machine à réluctance variable

Il existe deux grandes familles de machines à réluctance variable. La première famille est de type synchro-réluctante. Il s’agit de machines synchrones à pôles très saillants, dont on a supprimé l’enroulement d’excitation rotorique. Dans ce cas le stator est comparable à celui des machines synchrones et asynchrones et il crée un champ tournant dans l’entrefer. Ce type de machine possède donc un grand rapport de saillance (généralement 5< Ld/Lq<20) [BOLDEA92] [Chedot04] et le couple est créé par le seul effort de réluctance. Cette machine est décrite plus précisément ci-après dans le paragraphe sur les machines synchrones La seconde famille correspond aux machines à double saillance. Le stator est constitué d’un empilement de tôles encochées et les enroulements sont bobinés autour des dents. Le rotor est identique au stator, à la différence que les dents ne sont pas bobinées ; le rotor est entièrement passif [Ahmed97] [NOGAREDE] [Duhayon02] [Harrish81] [STEPHENS92]. Dans la Figure 1.30, nous montrons une machine à double saillance de type 6/4, soit 6 pôles saillants au stator et 4 pôles saillants au rotor. La machine est excitée par le champ magnétique d’entrefer créé par les courants de bobinages du stator (inducteur), ainsi que les dents polarisées du rotor qui se comportent comme des aimants, tant que le champ magnétique, dans lequel il est plongé, ne s’annule pas [ALHASSOUN05] [Miller89] [Soong94]. Les applications de la machine à réluctance variable sont souvent dans le domaine des actionneurs pas à pas [DARIS83] [KANT89] [MULTON93], mais du fait de sa constitution sans aimants, cette machine intéresse à nouveau les constructeurs automobiles.

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Figure 1.30 Machine à réluctance variable avec double saillance de type 6/4 [ALHASSOUN05] 1.5.1.5. Machine synchrone

1). Machine synchrone à inducteur (rotor) bobiné

La machine synchrone à inducteur (rotor) bobiné est très largement utilisée en fonctionnement alternateur dans le domaine de la génération d’électricité. Le stator est parcouru par des courants alternatifs et le rotor est alimenté par un courant continu. La condition de synchronisme, nécessaire à la production du couple, impose que la fréquence du champ magnétique statorique soit égale à celle de rotation du rotor. Les deux configurations suivantes sont alors envisageables.