Les machines à flux axial à plusieurs entrefers

Comme nous l’avons vu, lors de l’utilisation de structures à flux axial simple face, il existe nécessairement un effort axial qui peut être rédhibitoire selon les applications. Pour résoudre ce problème, il a été envisagé d’utiliser des structures à deux entrefers (ou à nombre pair), qui est bien plus facile à réaliser que dans une machine à flux radial. Cette technologie permet d’utiliser, contrairement aux machines à simple face, des machines monophasées, découplées magnétiquement et placées sur le même arbre. Quelque soit la répartition des phases sur

1.3. Les machines à flux axial à aimants permanents

(a) Machine à bobinage réparti (b) Machine à bobinage global

FIGURE1.19 – Illustration du couplage dentaire.

l’ensemble de l’actionneur, il est possible d’utiliser soit du bobinage réparti, dentaire ou global. Dans les deux derniers cas, il est possible de rendre un stator polyphasé ou monophasé. Dans le cas d’un bobinage global avec deux stators monophasés, le bobinage englobe alors les deux stators et le rotor. Ceci complexifie le montage mécanique et requiert une culasse de retour de flux à l’extérieur. La machine polyphasée sera alors réalisée par l’assemblage de plusieurs éléments monophasés, déphasés mécaniquement de l’angle nécessaire (^2π_n avec n le nombre de phases). Ces dernières structures permettent de mieux utiliser le cuivre, mais peut entrainer des pertes fer plus importantes dans la culasse de retour.

Dans les moteurs à faces multiples, il est possible d’avoir les rotors externes ou internes illustrés aux figures précédentes 1.16(b) et 1.16(c). Les machines à rotors externes (figures 1.20), ont N stators et N+1 rotors. Celles à rotors internes ont N+1 stators et N rotors (figures 1.21). Nous définirons le rotor comme étant l’élément composé des aimants. La présence de deux rotors autour d’un stator, ou de deux stators autour d’un rotor permet de rééquilibrer les efforts d’attraction. Dans le cas d’une structure parfaitement symétrique, les efforts d’attraction au niveau du rotor sont annulés. Les structures présentées suivront principalement le motif A où le champ d’induit et l’aimantation sont transverses. Elles sont sont bien sûr applicables au motif B où le champ d’induit est transverse et l’aimantation longitudinale (appelées machines à concentration de flux).

(a) Avec stator non enco-ché

(b) Avec stator encoché

FIGURE1.20 – Directions du flux d’une machine à rotor interne [BOM09]

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

Dans le cas des machines à rotor interne, le rotor ne nécessite pas de partie ferromagnétique et il est traversé dans le sens axial par le flux des courants. La figure 1.20 illustre deux structures possibles à rotor interne. La figure 1.20(a) illustre une structure à stator non encoché. Le bobinage est nécessairement un bobinage de type Gramme réparti sur le stator, cette machine est donc nécessairement à couplage polaire car il n’y a pas de dent. La figure 1.20(b) présente la structure à stator encoché, utilisée pour un bobinage réparti, dentaire ou global.

Les machines à rotor externe (figure 1.21), parfois appelées machines « Torus » présentent plus de possibilités. En effet, les aimants qui sont face à face peuvent être de même polarité (type NN), ou de polarité différente (type NS). La machine de type NS est illustrée sur les figures 1.21(a) et 1.21(b). Elles montrent respectivement la configuration à motif A et à motif B. Cette structure de type NS permet de réduire la culasse au stator, en contre partie il est conseillé de placer du fer sur les rotors. L’utilisation d’un bobinage réparti implique des pertes par effet joules plus élevées, liées à la présence de fortes têtes de bobine.

(a) Machine de type NS (b) Machine à concentra-tion de flux de type NS

(c) Machine de type NN (d) Machine de type NN avec bobinage non encoché

FIGURE1.21 – Directions du flux d’une machine à rotor externe [BOM09, BF09]

La machine de type NN, présentée sur les figures 1.21(c) et 1.21(d), correspond donc à la machine où les aimants placés face à face sont de polarité identique. La culasse statorique, à contrario des machines de type NS, est importante pour faire passer le flux de façon azimutal, et peut être le siège de pertes fer plus grandes.

1.3. Les machines à flux axial à aimants permanents

sont utilisées dans des applications à haute fréquence/haute vitesse car il n’existe pas de pertes fer (hystérésis et courants de Foucault). Le bobinage statorique est alors fixé sur un support amagnétique (figure 1.22).

FIGURE1.22 – Exemple de machine discoïde de type NS à stators externes sans fer

Cependant dans ces topologies, il est nécessaire d’accroitre considérablement le volume d’aimants pour compenser l’entrefer augmenté de l’épaisseur du stator. Elles sont moins courantes mais se développent dans les applications à très hautes vitesses.

Les structures à encoches imposent un entrefer très faible. En effet, le champ magnétique décroit fortement avec l’ouverture de l’encoche car la réluctance croit [ZH93a]. Il est possible de modéliser la structure par un stator lisse et de prendre en compte la baisse du champ magnétique en introduisant un entrefer fictif supérieur à l’entrefer réel. Pour réaliser le calcul, on introduit un coefficient appelé coefficient de Carter [ZH93b].

La fabrication des stators dans le cas de machines à encoches n’est pas aisée [dlB10, BGBD06, GWK04]. L’utilisation de tôles enroulées nécessite des précautions de fabrication : lors de l’utilisation d’isthmes d’encoches, il est nécessaire de poinçonner les bandes de tôles de plus en plus espacées pour prendre en compte l’augmentation du rayon au fur et à mesure de la phase d’enroulement. Dans le cas d’encoches droites et débouchantes, il est possible d’usiner un stator plein pour réaliser les encoches. L’utilisation de matériaux en poudre (SMC) permet de pallier à ces problèmes de fabrication. Ces matériaux magnétiques composites de prix plus élevé ont cependant des performances magnétiques plus faibles. Ils permettent par contre de réduire les pertes fer dans le cas de lignes d’induction non planes.

On peut déjà voir par cette brève description des machines à flux axial, qu’il existe une mul-titude de structures différentes. Avant de les comparer en vue d’une utilisation, il est nécessaire de les comparer aux machines à flux radial, et de voir leur intérêt pour notre application.