Historique des machines polyentrefers à aimants permanents

Concernant les moteurs synchrones à aimants permanents, les premières machines polyen-trefers ont été étudiées et réalisées entre 1987 et 1989 au Laboratoire d’Électrotechnique (L.E.) d’Orsay. Ce sont des machines discoïdes, la première est une machine à disques à aimants alternés en Samarium-Cobalt (SmCo) conçue en collaboration avec Cegelec-Nancy, illustrée par la figure 1.7.

Elle a été dimensionnée pour l’entrainement direct d’un bras de robot pour le Commissariat à l’Énergie Atomique (C.E.A.) [LRP87]. Ces machines suivent le motif A, le champ d’induit et l’aimantation sont donc transverses, le bobinage est global.

CHAPITRE 1. Les machines polyentrefers : une éventualité à la problématique d’avion plus électrique ?

FIGURE1.7 – Actionneur rotatif polydiscoïde à aimants permanents du L.E. d’Orsay [AHM06]

À partir de cette structure et de ce motif, trois prototypes ont été réalisés avec un, deux et trois rotors et à des diamètres externes différents. Le tableau 1.2 rappelle leurs principales caractéristiques. L’intérêt notable d’une telle structure est une modularité due à sa composition faite d’actionneurs monophasés, assemblés mécaniquement sur le même arbre et découplés magnétiquement. Prototypes n° 1 2 3 Couple moyen[N.m] 200 250 7500 Nombre de rotors 1 2 3 Diamètre extérieur [mm] 350 320 860 Longueur axiale [mm] 140 150 270 Couple volumique [N.m/dm³] 15 21 48 Couple massique [N.m/kg] 4 6,25 7,5

TABLE1.2 – Caractéristiques des différents prototypes polydiscoïdes à aimants permanents du L.E

d’Orsay [AHM06]

En 1995 et 1996, [POU95, TIA96], des travaux au Laboratoire d’Électrotechnique de Montpel-lier (L.E.M.) ont porté sur des ensembles discoides à un rotor et deux stators (bi-entrefer). Ce sont des moteurs à bobinage global et à concentration de flux dont on retrouve les éléments sur la figure 1.8.

Les aimants permanents sont de type ferrite (B_r=0,4 T) et la structure suit le motif B. Cette machine présente des performances de 3,6 N.m/dm³et 3,5 N.m/kg (8 N.m pour un diamètre de 200 mm). Les faibles performances sont notamment dues au diamètre plus faible que les machines présentées au dessus, ainsi qu’à la présence d’un unique rotor. Ces travaux ont permis de mettre en avant la faisabilité de la structure, en vue d’une utilisation polyentrefer en plaçant plusieurs éléments identiques à celui ci sur le même arbre.

En 1998, l’équipe du SATIE (avec le concours de la société Radio Énergie) présente un actionneur polyentrefer linéaire à structure étoile [PAL98] et à bobinage global. Il est composé d’aimants permanents en Néodyme Fer Bore (NdFeB) alternés selon le motif C, avec un noyau

1.2. État de l’art des machines polyentrefers à aimants permanents

FIGURE1.8 – Actionneur discoïde à bobinage global et à concentration de flux du LEM [MAT99]

mobile passif composé des dents. Pour un diamètre extérieur de 210 mm et une longueur active de 280 mm, les performances obtenues sont de l’ordre de 2000 N/dm³, et 20 kN en régime impulsionnel, avec un refroidissement par convection forcée. Le régime permanent thermique a été mesuré à uniquement 3000 N.

FIGURE1.9 – Actionneur linéaire polyentrefer à structure étoile du SATIE [AHM06]

Les difficultés techniques rencontrés sur ce prototype, comme le guidage mécanique et les effort de frottements de l’ordre de 800 N, ont poussé l’étude et la réalisation d’une nouvelle machine, construite en 2001, mais cette fois-ci multiplaque [ACPM01]. Ce moteur est basé sur le même motif (C) que celui à structure étoile, sauf que les parties mobiles composées de plots sont des plaques. Le guidage de chaque plaque étant réalisé de façon indépendante. La figure 1.10 montre cette machine. Les performances obtenues sont 100 kN de poussée, 1300 N/dm³ et 115 N/kg. Il a été réalisé suite à une demande de la DGA lors de la réalisation d’un émulateur de vagues. Il est refroidit à l’eau.

Ce prototype a été construit de sorte à ce qu’il n’y ait pas de frottement (entrefer de 1 mm), mais il rencontre cependant toujours des problèmes de guidage, et des difficultés mécaniques d’assemblage et de réalisation. C’est à partir de ce nouveau constat, qu’une nouvelle architecture a été étudiée au SATIE (site de Ker Lann). En 2002, un actionneur multitige est présenté [CAV02]. C’est une machine qui suit le motif D, à bobinage global, composée d’aimants permanents de type NdFeB. Elle est détaillée et illustrée sur la figure 1.11.

CHAPITRE 1. Les machines polyentrefers : une éventualité à la problématique d’avion plus électrique ?

FIGURE1.10 – Actionneur linéaire polyentrefer multiplaque du SATIE [APM99]

FIGURE1.11 – Actionneur linéaire polyentrefer multitige du SATIE [CAV02, CAM02]

Les performances sont de 1000 N de poussée, 1000 N/dm3. Cette machine, prévue pour avoir des frottements, a un entrefer réduit au minimum, et un traitement de surface en Teflon pour minimiser la friction due au décentrage des tiges. Sa structure mécanique de tiges est hy-perstatique, la réalisation et l’assemblage sont complexes et demandent beaucoup de précision. Ce sont ces aspects qui ont limité et qui limitent en général le développement coûteux de telles structures.

À partir de 2004, le Groupe Énergie et Matériaux de l’Institut d’Électronique du Sud (I.E.S-G.E.M.), sous l’impulsion de Daniel Matt, a lancé des travaux sur les structures polyentrefers. En 2008, les travaux sur un actionneur linéaire polyentrefer multilame, en collaboration avec la société Messier-Dowty, ont été présentés [ZIE08]. Cette machine est à bobinage global, composée d’aimants permanents SmCo, selon le motif C. Cet actionneur s’inscrit dans les recherches sur la thématique d’avion plus électrique, puisque ces travaux ont été menés dans le but de remplacer des actionnements réalisés par des vérins hydrauliques.

Cet actionneur atteint des performances de 1000 N/kg et 5000 N/dm³(volume et masse calculés sans la partie du noyau mobile réalisant la course), pour une poussée de 1200 N [NDO10]. Il avait pour but de valider les performances, vérifier la faisabilité mécanique et comparer les résultats expérimentaux et théoriques. En effet, le principe même de cette structure

1.2. État de l’art des machines polyentrefers à aimants permanents

FIGURE1.12 – Actionneur linéaire polyentrefer multilame de l’I.E.S. [ZIE08]

est qu’elle fonctionne sur le quasi-frottement des lames mobiles sur les lames fixes. Un traitement en PTFE a été appliqué sur les lames fixes et mobiles. Cet entrefer qui a nécessairement été réduit comparé, par exemple, à l’actionneur multiplaque du SATIE a permis d’obtenir des performances plus élevées. Un prototype industriel, appelé Lineator, a ainsi pu être dimensionné. Il a été fabriqué par la société SAGEM, que l’on peut voir sur la figure 1.13. Il est dimensionné pour la fonction de déverrouillage d’un train d’atterrissage avant de type A320.

FIGURE1.13 – Prototype industriel Lineator, seul et sur la maquette de validation du train d’atterrissage [DEMB09]