4.3 Résultats de l’étude paramétrique
5.1.1 Comparaison des performances des deux topologies
L’observation des performances des deux types de machines a été réalisée dans chaque chapitre afin de dégager les tendances d’optimisation des moteurs pour le cahier des charges. Le but de ce chapitre n’est pas de recalculer toutes les solutions envisageables et leurs perfor-mances, mais de réaliser un choix pour l’étude proposée dans ce manuscrit.
5.1. Comparaisons et choix d’une technologie
Le tableau 5.1 indique les performances linéiques et massiques accessibles avec les deux struc-tures. Ce tableau ne prend en compte que les performances d’un ensemble mono-entrefer. Il n’y a donc aucune contrainte sur la longueur de l’élément ou du nombre de phases de la machine entière.
Bob. dentaire et couplage polaire Bob. global et couplage dentaire
Entrefer : Cl :v11500 N.m/m Cl :v9500 N.m/m
1 mm Cm:v15 N.m/kg Cm:v19 N.m/kg
Entrefer : Cl :v14000 N.m/m Cl :v13500 N.m/m
0,3 mm Cm:v19 N.m/kg Cm:v30 N.m/kg
TABLE5.1 – Rappels des performances accessibles en fonction de l’entrefer et de la topologie
Ce tableau indique la nette différence sur les performances massiques apportées par la topologie à bobinage global et couplage dentaire. Les performances volumiques sont meilleures pour les machines à bobinage dentaire, même si elles sont proches de la deuxième topologie. Il faut cependant préciser que la machine à bobinage dentaire et couplage polaire ne permet pas d’obtenir le couple maximum volumique en même temps que le maximum du couple massique. La caractéristique du facteur de puissance n’est ici pas observée, mais comme ceci a été vu dans le chapitre précédent, la machine à bobinage global présente de par sa structure un facteur de puissance dégradé par rapport à la machine à bobinage dentaire.
Pour la suite de cette section, les seules performances sélectionnées sont les performances des machines polydiscoïdes composées de six stators et trois rotors ayant une longueur axiale inférieure à 134 mm (longueur maximum précisée dans le cahier des charges). Ce choix permet de réduire le nombre de solutions et la complexité mécanique, tout en ayant une alimentation simple. Seules les solutions triphasées et rendues symétriques de part et d’autre des rotors sont choisies.
5.1.1.1 Moteurs satisfaisants au cahier des charges
Un programme de tri permet d’obtenir à partir de la base de données de chaque topologie les moteurs dont la longueur axiale active de la machine totale est inférieure à la longueur axiale maximum Lmaxprécisée par le cahier des charges. La longueur de la machine doit donc vérifier l’inéquation suivante :
6×C
Cl ≤ Lmax (5.1)
Dans les deux topologies, cela correspond à sommer les différentes longueurs sur l’axe d’un élément mono-entrefer et d’en calculer la longueur totale lors de l’utilisation de six éléments. Dans de telles conditions, il est alors possible de tracer dans le plan (Couple linéique ; Couple massique) le lieu géométrique des moteurs 6S-3R répondant au cahier des charges. On obtient alors des points représentatifs des machines composées de six stators en fonction de leurs performances massiques et volumiques. La figure 5.1 illustre cette représentation pour les deux topologies étudiées dans ce manuscrit, et ayant un entrefer de 1 mm.
CHAPITRE 5. Choix d’une solution technologique
(a) Moteur à bobinage dentaire et couplage polaire (b) Moteur à bobinage global et couplage dentaire
FIGURE5.1 – Couple linéique en fonction du couple massique des moteurs 6S-3R du cahier des charges,
avec e=1 mm
Sur ces deux tracés illustrés aux mêmes échelles, on voit apparaitre l’avantage sur le couple volumique développé pour la machine à bobinage dentaire. De plus, les machines présentant des couples volumiques optimums ont dans ce cas là aussi un couple massique plus élevé que la machine à bobinage global.
La figure 5.2 présente dans les mêmes conditions les machines ayant un entrefer réduit de 0,3 mm.
(a) Moteur à bobinage dentaire et couplage polaire (b) Moteur à bobinage global et couplage dentaire
FIGURE5.2 – Couple linéique en fonction du couple massique des moteurs 6S-3R du cahier des charges
avec e=0, 3 mm
De la même façon que pour la machine à entrefer supérieur, les couples linéiques développés par la machine à bobinage dentaire et couplage polaire sont nettement supérieurs à ceux de la machine à bobinage global et couplage dentaire. Ces machines sont cependant désavantagées en regard du couple massique. Dans le cadre où le couple à développer est suffisant, et que l’on souhaite diminuer la masse de la machine électrique, la machine polydiscoïde à bobinage global
5.1. Comparaisons et choix d’une technologie
apporte alors un intérêt. Cette particularité dépend fortement du cahier des charges puisque dans des études précédentes où le volume n’était pas contraint de la même façon pour un actionneur linéaire [CAM02], la machine polyentrefer à bobinage global était plus avantageuse. On peut donc conclure que dans le cadre du cahier des charges présenté dans cette étude, l’objectif de fournir un maximum de couple ne peut être réalisable qu’avec une machine polydiscoïde à bobinage dentaire et couplage polaire, ayant un entrefer réduit. La réduction de la masse sera faite en choisissant des moteurs présentant un couple massique intéressant. Ces conclusions ont été obtenues à partir de performances électromagnétiques calculées par des simulations par éléments finis, les considérations de fabrication, de cout ou mécanique, tout aussi importantes, sont évoquées dans la suite du manuscrit.
5.1.1.2 Différences technologiques des deux topologies
Jusqu’à présent les comparaisons ont été réalisées uniquement à partir des performances électromagnétiques des deux topologies. Il est difficile dans un programme analytique d’écarter toutes les solutions qui sont impossibles à fabriquer mécaniquement. Des limitations ont cependant été placées sur les valeurs minimums des dimensions de certains éléments, mais des différences existent aussi sur la constitution même des machines. Ces différences peuvent amener à choisir une structure plus qu’une autre.
L’élément de base de la machine à bobinage global et couplage dentaire présente deux disques statoriques composées de dents et d’un disque qui permet le passage du flux des dents vers la culasse de retour. Celle-ci est cylindrique et englobe le moteur. Dans le disque statorique s’opère un changement de plan du flux qui implique dans le cas présenté d’utiliser des matériaux de type composite (SMC). Ces matériaux permettent le passage du flux dans les 3 directions sans pénaliser le moteur par la présence de fortes pertes dues à la circulation de courants de Foucault. Ces matériaux sont plus couteux et difficiles à réaliser pour de grands diamètres. Dans le cas où l’on souhaite utiliser des tôles enroulées, le disque statorique est nécessairement formé de plusieurs pièces pour que le feuilletage suive les changements de plan lors de la collecte du flux provenant des dents vers la culasse cylindrique de retour de flux. Une schématisation de cette possibilité est rapportée dans les travaux issus de [AHM06] et représentée sur la figure 5.3.
Dans ce cas, la culasse en forme de C permet d’opérer le changement de plan et faire circuler le flux. L’inconvénient majeur d’une telle réalisation est l’épaisseur plus élevée de la culasse. Pour garantir la même surface de passage de flux le long de l’axe, il est nécessaire d’augmenter d’un rapport 1s, s étant la largeur relative de la dent. Cette augmentation de l’épaisseur de la culasse diminue la surface d’entrefer, et donc les performances. Dans de telles conditions les performances de la machine à bobinage global sont encore plus faibles. Cette solution de fabrication semble peu intéressante dans notre cas.
La machine à bobinage dentaire et couplage polaire permet d’avoir un élément constituant le disque statorique en un seul bloc. Le retour de flux s’opère de proche en proche et de façon azimutal, un stator en tôles enroulées où les dents ont été réalisées avant l’enroulement ou
CHAPITRE 5. Choix d’une solution technologique
FIGURE5.3 – Illustration d’une culasse de retour de flux en tôles feuilletées [AHM06]
usinées après permet de réaliser la circulation du flux dans la direction de l’enroulement et ainsi de limiter la circulation des courants de Foucault. De plus cette culasse n’impacte en aucun cas la surface d’entrefer. Sa taille peut facilement être modifiée en fonction de l’induction maximum que l’on souhaite y faire passer ou pour des choix mécaniques. Seule la longueur sur l’axe est alors modifiée.
Comme vu précédemment, la structure à bobinage global a un impact important sur l’élec-tronique de commande qui lui est associée. En effet, les facteurs de puissance de cette machine sont largement inférieurs à ceux que l’on peut obtenir avec la machine à bobinage dentaire. La réaction magnétique d’induit est importante et le flux des aimants est plus faible (et donc la force électromotrice). Ceci induit des facteurs de puissance peu intéressants pour la conception de l’alimentation et la commande d’une telle machine. Cet inconvénient majeur est d’autant plus gênant que les puissances en jeu sont importantes.
La structure à bobinage global impacte fortement la conception mécanique des stators, mais aussi le montage. Cette particularité mécanique et les inconvénients que cela apportent sur la machine finale est présentée dans la suite.