3.3 Prédimensionnement exploratif du domaine d'intérêt de la MCC à griffes
3.3.4 Choix de la machine et de la topologie finale
Figure 3.24 : Comparaison de la courbe Couple-courant des structures à pôles chevauchés et non chevauchés obtenues
Pour une application démarreur où on cherche avant tout à réduire l’encombrement de la
machine, la topologie à pôles chevauchées présente donc un grand intérêt. Dans le cas d’une
application alternateur, la simplicité du processus de fabrication oriente plus les constructeurs
vers une structure à bobinage cylindrique.
3.3.4 Choix de la machine et de la topologie finale
L’analyse des différents fronts de Pareto permet de conclure que la machine 6 pôles / 19
encoches est la plus intéressante. Initialement pour les structures à plots, les machines 19
encoches consomment plus de cuivre que les machines à 21 encoches. L’économie en cuivre
grâce au passage à une structure à griffe est donc nettement plus prononcée pour les machines
19 encoches. Ainsi nous nous concentrons dans ce qui suit uniquement sur la machine 6 pôles
/ 19 encoches.
D’après l’analyse des différents fronts de Pareto précédents, il a été conclu que la machine un
stack chevauchée est la plus intéressante. Le choix s’est porté sur cette configuration, car corrèle
à la fois l’avantage de la topologie un stack en matière d’économie de cuivre et améliore le
couple grâce à l'homogénéisation de l’induction dans l'entrefer.
Une comparaison de la machine 6 pôles/19 encoches pour l’ensemble des configurations est
résumée dans la Figure 3.25, qui confirme l’analyse précédente, où la topologie un stack
chevauchée est la seule à pouvoir satisfaire les deux critères (couple > 1 p.u et volume de cuivre
< 1 p.u).
112 Chapitre.III : Dimensionnement d'une nouvelle topologie à griffes
Figure 3.25 :
Comparaison des topologies 6 pôles /19 encoches
Cependant, le modèle que nous avons utilisé pour ce prédimensionnement ne tient pas compte
de l’ensemble des phénomènes magnétiques. Il est donc nécessaire de vérifier par une
simulation par éléments finis 3D cette topologie. Une machine prise au hasard parmi les
résultats précédents et permettant de produire théoriquement un couple de 1,02 𝑝. 𝑢 avec un
volume de cuivre de 0,35 𝑝. 𝑢 (par rapport à la machine à plots) est présentée Figure 3.26.
Figure 3.26 :
Une machine 6 pôles/19 encoches vérifiée par éléments finis
Comme le montre la figure, la saturation dans cette machine est fortement inhomogène. Le
calcul de couple par éléments finis au point de fonctionnement pris en compte lors de ce
dimensionnement, donne uniquement 0,65 𝑝. 𝑢. Une différence de 37 % est notée entre ce
calcul et celui donné par le modèle simplifié initial.
Afin de comprendre d’où vient cette grande différence, l’analyse des différents phénomènes
négligés dans le modèle tels que l’inhomogénéité de la saturation magnétique le long de la
machine (selon l’axe z), les flux de fuites et la réaction magnétique d’induit est donc nécessaire.
L’induction normale sous un pôle de la machine est tracée dans la Figure 3.27. On observe une
inversion de l’induction sur une partie du pôle. Cette inversion est due à la réaction magnétique
d’induit. Ceci a été confirmé par une étude sur plusieurs machines dimensionnées
précédemment où les écarts sur les calculs de couple sont toujours au moins supérieurs à 15 %.
Chapitre.III : Dimensionnement d'une nouvelle topologie à griffes 113
Figure 3.27 :
Inversion de l'induction sous le pôle d’une machine
6pôles / 19encoches 1stack à pôles chevauchés
La réaction d’induit a donc un impact important dans la structure à griffe. Ceci est
principalement dû à l’épaisseur de la griffe favorisant le passage du flux généré par l'induit, et
entraînant une perte de couple due à l’inversion de l’induction. Cette réaction magnétique peut
être compensée par l’augmentation de la réluctance de la griffe, comme nous le présentons dans
le paragraphe suivant.
▪ Compensation de la réaction magnétique d’induit :
Pour augmenter le couple de la machine, une première solution consiste à limiter ou compenser
la réaction magnétique d’induit (Figure 3.28). Pour la limiter, un moyen d’y parvenir consiste
à augmenter la réluctance tangentielle par la création d’une fente au sein du pôle. Pour la
compenser, on peut insérer un aimant dans cette fente, où l’aimant est orienté dans le sens
contraire à cette réaction magnétique d’induit. Ces deux solutions sont représentées dans la
Figure 3.29.
Figure 3.28 : Compensation de l'induction
inversé sous le pôle Figure 3.29 : Insertion d’une fente ou insertion d’un aimant
Les machines obtenues précédemment par une optimisation couplée avec le modèle simplifié
sont vérifiées par éléments finis. Il s’avère que le couple est surestimé par le modèle simplifié
114 Chapitre.III : Dimensionnement d'une nouvelle topologie à griffes
du fait qu’il ne prend pas bien en compte le phénomène d’inhomogénéité de la saturation et de
la réaction magnétique d’induit. Par exemple, intéressons-nous à une machine 6 pôles / 19
encoches 1 stack non chevauchée présentant un couple de 0,95 𝑝. 𝑢 et un volume de cuivre de
0,35 p.u prise au hasard sur le front de Pareto de la Figure 3.25. Le couple calculé par éléments
finis sur cette même machine est de 0,45 𝑝. 𝑢, ce qui représente un écart de 50 % par rapport
au couple estimé. En traçant l’induction sous un pôle de cette machine, une forte inversion de
l’induction est observée (cf. Figure 3.30). Malgré les écarts que présentent le modèle simplifié,
une vérification par éléments finis nous a permis de conclure que les tendances des machines
présentées par le front de Pareto sont bonnes.
La solution de compensation de cette réaction magnétique d’induit par l’insertion d’une fente
ou d’un aimant ne serait donc pas suffisante pour compenser cette inversion. De plus, nous
avons remarqué en comparant les différents fronts de Pareto précédents que, plus la machine
est optimisée, moins elle est impactée par la réaction d’induit (paragraphe 1.5.5.2.).
Pour ces raisons, nous avons préféré ne pas retenir la solution consistant à insérer une fente
et/ou un aimant, mais plutôt développer un modèle précis de la machine prenant en compte la
réaction magnétique d’induit ainsi que l’inhomogénéité de la saturation magnétique. Et c’est ce
modèle qui sera ensuite utilisé pour le dimensionnement. Dans ce qui suit, nous présentons donc
un modèle de la machine à griffes basé sur une représentation multicouche selon l’axe z de la
machine.
Figure 3.30 :