Chapitre 3. Choix de la structure de moteur-roue
3. Comparaison des différentes structures possibles
Pour comparer le plus objectivement possible les différentes structures considérées ci-dessus, nous définissons d’abord des critères représentant le mieux l’aptitude d’une machine électrique et éventuellement de son convertisseur à être intégrés dans un moteur roue.
3.1. Définition de critères de comparaison.
Nous regroupons les différents critères en quatre familles. 3.1.1. Les performances du systèmes.
Les critères concernant les performances du système se déduisent naturellement des contraintes développées au paragraphe 5 du chapitre 1.
Le moteur doit avoir un couple massique et une puissance massique élevés pour au moins deux raisons. Premièrement, le moteur doit fournir un couple important afin d’assurer les phases de démarrage en pente ou de fortes accélérations, et ce, en évitant d’insérer un réducteur (car il augmente l’encombrement et la masse du système, il complique l’intégration dans une roue et il est source de bruit). Deuxièmement, le système doit être le moins lourd possible afin de ne pas détériorer la tenue de route et l’autonomie du véhicule.
Le moteur et le convertisseur statique doivent posséder un rendement élevé sur toute la plage de fonctionnement pour obtenir la meilleure autonomie. Il faut également limiter les pertes Joule du moteur à couple élevé afin de ne pas compliquer le refroidissement du moteur ; par exemple, il n’est guère envisageable de refroidir le rotor par circulation de fluide.
La réversibilité du système est intéressante dans la mesure où elle autorise un ralentissement récupératif. L’autonomie du système est ainsi accrue et, de plus, le système de freinage peut être sous- dimensionné, ce qui permet de réduire les échauffements au voisinage du moteur.
Les vibrations mécaniques du système doivent être maîtrisées afin de réduire les problèmes de nuisances sonores et de fatigue mécanique.
Enfin, le facteur de puissance du moteur doit être le plus élevé possible pour éviter un sur- dimensionnement du convertisseur statique.
3.1.2. L’aptitude du système à être intégré dans une roue.
Les paramètres de cette famille caractérisent la facilité d’intégration mécanique du moteur et éventuellement du convertisseur dans une roue.
D’abord, le moteur doit avoir une largeur restreinte, afin d’être totalement couvert par la jante et le pneumatique ; ainsi il est protégé de chocs extérieurs (notamment latéraux). Cela implique par exemple que la longueur des têtes de bobines doit être réduite au maximum.
Même si cela n’est pas obligatoire, il est intéressant d’inverser la structure (le rotor est alors extérieur), car cela simplifie grandement le montage du moteur en l’absence de réducteur24 : on monte la jante directement sur le rotor.
Il faut éviter les contacts tournants et autres joints tournants, dont la maîtrise est rendue plus difficile lorsque le rotor est solidaire de la jante et qu’ils sont susceptibles de subir des mouvements verticaux et horizontaux selon l’état de la route.
Enfin, il est intéressant de disposer d’un espace libre à l’intérieur du moteur, permettant ainsi d’intégrer le convertisseur statique si son volume est faible. Les connexions du système sont alors réduites à une alimentation de puissance continue (composée de deux fils) et un bus conduisant les signaux de commande et de contrôle du dispositif.
3.1.3. La sécurité et la fiabilité du système.
La sécurité et la fiabilité du système sont des critères très importants. En effet, ils conditionnent d’une part celles du véhicule complet et ils permettent d’autre part de diminuer les coûts de maintenance.
L’expérience de fabrication ainsi que la maturité de la technologie diminuent a priori les risques potentiels de problèmes imprévus. Ceux-ci sont liés entre autres à l’utilisation de nouveau matériaux dont l’évolution des caractéristiques avec le temps n’est pas bien connue ou à la mise au point de nouveaux processus de fabrication.
Il existe aussi des problèmes liés à la structure même du système. Par exemple les machines à aimants sont toujours excitées lorsque les aimants sont aimantés. La machine se comporte donc en génératrice dès que le moteur tourne, ce qui implique un risque potentiel au niveau du convertisseur.
Enfin la maintenance du système doit être simple. Toute les parties susceptibles d’être détériorées doivent être accessibles et réparées ou changées simplement et rapidement.
3.1.4. Le coût du système.
Le dernier point concerne le prix de revient du moteur. Il faut considérer deux facteurs : − le coût des matériaux qui est incompressible ;
− le coût du montage qui peut éventuellement varier selon le mode de production25
et les quantités à produire.
24
Dans les structure inversées, on peut éventuellement intégrer un réducteur planétaire et on obtient alors deux cylindres tournant en sens inverse ; cela nécessite d’enfermer l’espace entre la jante et le rotor afin de ne pas gêner la rotation et de ne pas abîmer ces deux parties.
3.2. Comparaison des structures.
Une fois définis, les critères ci-dessus nous permettent de comparer les systèmes décrits au paragraphe 2 de ce chapitre.
3.2.1. Systèmes utilisant un moteur asynchrone (MAS).
Le principal avantage du MAS est que le milieu industriel posséde une expérience et une maîtrise de fabrication inégalée, ce qui plaide en faveur d’une bonne fiabilité. De plus le coût du moteur à cage d’écureuil est faible. Néanmoins, les performances du MAS sont relativement réduites. Il présente un faible couple massique. Le rotor est toujours source de pertes Joule ; ceci complique le refroidissement et détériore le rendement. Pour obtenir un bon couple au démarrage, il faut utiliser une commande vectorielle du flux du moteur ; la commande de l’onduleur est alors plus difficile à mettre en œuvre, surtout si on veut obtenir une bonne fiabilité, et le coût du convertisseur augmente. Souvent, le moteur doit être associé à un réducteur, ce qui diminue le rendement et augmente l’encombrement et le bruit. La réversibilité du système est limitée par la nécessité de fournir en permanence de la puissance réactive.
3.2.2. Systèmes utilisant un moteur à courant continu (MCC).
Le MCC bénéficie lui aussi d’une grande expérience de conception et de fabrication. Son alimentation est simple, fiable et peu coûteuse. La réversibilité du système est très simple à réaliser. Le moteur peut fournir un couple élevé dès le démarrage. Pour autant, les inconvénients de cette solution sont bien connus. Ils proviennent essentiellement du système balai/collecteur. La chute de tension au collecteur détériore le rendement et le contact tournant limite la vitesse de rotation et impose une maintenance régulière. De plus, le collecteur augmente la masse et l’encombrement du moteur (surtout en largeur). Ainsi, la puissance massique reste limitée et l’intégration dans une roue est difficile. Le collecteur représente en outre un surcoût incompressible. La présence d’un enroulement au rotor complique le refroidissement du cuivre et exclut quasiment de placer le rotor à l’extérieur (sauf à mettre des balais tournants comme sur la structure de la figure 24).
3.2.3. Systèmes utilisant un moteur synchrone (MS).
Il existe deux types de MS : les moteurs synchrones à rotors bobinés (MSRB) et les moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP). Les conclusions sont très différentes pour les uns et pour les autres.
Un avantage du MSRB est de pouvoir régler très facilement le flux inducteur. Cela permet d’augmenter simplement la plage de vitesse du moteur en diminuant le courant d’excitation, c’est-à- dire en diminuant le flux d’excitation. Malheureusement, ces moteurs nécessitent des contacts tournants, ce qui limite les possibilités d’intégration dans une roue. Comme pour le moteur à courant continu, le refroidissement des bobinages rotoriques est compliqué.
Le MSAP ne possède pas ces inconvénients provenant d’un bobinage tournant. Si les aimants ont une forte densité d’énergie (aimants terre-rare de type Nd-Fe-B ou Sm-Co) et que le moteur est alimenté par des créneaux de courant, il permet de fournir un couple massique élevé. Le rendement lui aussi est élevé, car on obtient une forte induction dans l’entrefer et il n’y a pas de pertes au rotor. Le seul 25
Par exemple, le prix du cuivre bobiné manuellement est beaucoup plus élevé que le prix du cuivre bobiné automatiquement ; mais il faut que le bobinage du moteur soit adapté.
inconvénient de ce type de structure est que l’induction dans le fer ne varie pas sinusoïdalement et que cela provoque des pertes fer supplémentaires à vitesse élevée. Cependant, en attaque directe, la vitesse de rotation des roues reste relativement basse quelque soit le type de véhicule (< 500 tr/min).
Remarquons enfin que la structure du moteur est simple ce qui signifie que les coûts de fabrication devrait être relativement limités.
3.2.4. Systèmes utilisant un moteur à réluctance variable (MRV).
Nous considérons deux types de MRV : les moteurs à double saillance (MRVDS) et les moteurs hybrides (MRVH).
Les premiers présentent de nombreux avantages. D’abord la structure est très simple : le stator possède un bobinage concentré (très simple à réaliser) et le rotor, homogène, ne supporte ni bobinages ni aimants. La construction (bobinage, équilibrage du rotor…) est facile donc peu onéreuse. D’un point de vue énergétique, les têtes de bobine sont courtes (à cause du bobinage concentré) et le coefficient de remplissage élevé, ce qui limite les pertes par effet Joule souvent plus faible que dans les MSA [41]. En revanche, du fait que les variations de l’induction sont non sinusoïdale, les pertes fer sont relativement élevées (comme pour les MAS à fém trapézoïdale). L’alimentation du moteur peut être réalisée par un onduleur en demi-pont asymétrique, car les courants dans le moteur sont unidirectionnels. Cela confère à ces moteurs une bonne sécurité de fonctionnement, car les trois phases sont indépendantes. Le gros problème de ces structures vient du bruit qui est créé, notamment à cause des ondulations de couple. De par le principe même de production du couple, celui-ci est pulsatoire, et il l’est d’autant plus que la vitesse est élevée, car, alors, on ne peut plus réguler le courant pour compenser les ondulations. Par ailleurs le couple maximal reste sensiblement plus faible que celui que l’on peut obtenir avec une MSA utilisant des aimants Nd-Fe-B.
L’insertion des aimants dans les structures hybrides permet d’augmenter le couple en renforçant l’induction dans l’entrefer de la machine. On arrive donc à de bonnes performances de couple et de rendement. Les problèmes viennent des risques important de désaimantation des aimants et aussi de la fabrication du moteur rendue difficile par l’intégration des aimants dans les plots du rotor. De plus comme les MRVDS, elles fournissent un couple assez fortement pulsatoire.
3.2.5. Conclusion.
Le tableau 6 fait la synthèse de l’analyse des quatre paragraphes précédents.
tableau 6 : analyse synthétique des avantages et des inconvénients de chaque structure de moteur-roue au regard des critères définis au § 3.1.
MAS MCC MSRB MSA MRVDS MRVH Performances -- - + +++ ++ ++ Intégration - -- -- ++ + ++ Sécurité et fiabilité + - + + + + Coût + + - + ++ - Appréciation globale - --- - +++++++ ++++++ ++++
Il ressort du tableau ci-dessus que les moteurs synchrones à aimant et ceux à réluctance variable à double saillance sont les mieux placés. Nous retiendrons le moteur synchrone à aimants permanents (à haute densité d’énergie) alimenté par des quasi créneaux de courant, car il possède les meilleures performances utiles pour réaliser un moteur-roue : notamment il possède un très bon rendement et peut
atteindre des couples très élevés. Ainsi, il n’est pas utile d’utiliser un réducteur et l’intégration est plus aisée. Le refroidissement du stator, ne pose pas non plus de problème particulier. L’alimentation et la régulation du couple est relativement simple par MLI. Le MSAP présente en plus l’avantage sur le MSRVDS de pouvoir facilement fonctionner en génératrice et de présenter moins de vibrations, ce qui limite le bruit. Enfin, le prix du moteur, plus élevé que pour les MSRVDS est lié aux aimants et au bobinage. Mais les aimants Nd-Fe-B sont maintenant disponibles pour des prix intéressants (600 F/kg en Chine) et les spécialistes du métier admettent que le bobinage du moteur peut être automatisé si la polarité n’est pas trop grande (inférieure à une vingtaine de pôles). Néanmoins, on retiendra qu’une contrainte importante de dimensionnement du moteur sera de minimiser la masse d’aimants permanents.