Machine électrique

Les machines électriques sont des transformateurs d’énergie bidirectionnels. Elles trans-forment l’énergie électrique en énergie mécanique rotationnelle et, réciproquement, l’énergie mécanique en énergie électrique. Le choix des machines électriques de traction pour les systèmes de propulsion hybride est une étape très importante qui nécessite une attention particulière. L’industrie automobile est toujours à la recherche du système électrique de propulsion le plus approprié pour les VEH et même pour les VE. Dans ce cas, les principales caractéristiques sont le rendement, la fiabilité et le coût auxquels il faut ajouter le niveau de vibration ou de bruit. Le processus de choix des systèmes de propulsion électrique appropriés est ainsi difficile et doit être réalisé au niveau du système. Les critères guidant le choix des systèmes de propulsion électrique pour les VEH dépend principalement de trois facteurs [100] :

• Le cycle de conduite,

• Les contraintes du véhicule, • La source d’énergie.

D’un point de vue industriel, les principaux types de machines électriques adoptées ou en cours d’évaluation pour les VEH comprennent la machine à courant continu (CC) qui a été abandonnée, la machine asynchrone (IM), les machines synchrones à aimants ou rotor bobiné (AP) et le moteur à réluctance variable (VRM).

2.4.2.6.1 Machines à courant continu

Les machines à courant continu sont appropriées pour l’utilisation dans les véhicules électrifiés par leurs caractéristiques de couple et de vitesse. De plus, leur chaîne de commande est plus simple que les autres types de moteurs. Néanmoins, ils ont besoin d’entretien à cause de la présence des balais, leur rendement est également plus bas que celui des autres techno-logies de machine électriques, leur vitesse maximale est limitée et le rapport poids/puissance défavorable [100]. De plus, les progrès dans les semi-conducteurs et l’électronique de puis-sance facilitant la commande des autres types de machines font que les moteurs asynchrones (à induction) et les moteurs synchrones sont devenus plus intéressants.

Le coût des machines à courant continu (CC) est moins intéressant en comparaison avec les autres types de machines, mais pour des besoins de puissance plus modestes ce type de machine peut être un bon choix.

2.4.2.6.2 Machines asynchrones

Ces machines sont aussi appelées machines à induction (IM). Elles sont de bonnes can-didates à une utilisation dans la chaîne de traction des VEHs grâce à leur fiabilité, leur robustesse, leur faible besoin d’entretien et leur faible coût [100].

Il existe deux types d’approche pour la commande des machines asynchrones : la com-mande scalaire et la comcom-mande vectorielle. La comcom-mande scalaire est utilisée pour des applications avec des variations lentes de vitesse alors que la commande vectorielle est plus performante et mieux adaptée à la commande en couple. Ainsi, pour les applications des VEHs, la commande vectorielle est retenue. Ce type de commande est utilisé pour une commande précise du couple et de la vitesse, avec des grandes performances dynamiques et la possibilité aussi de réguler à basse vitesse. La commande vectorielle est plus complexe, la difficulté majeure pour déployer cette approche est d’obtenir une bonne estimation de la pulsation des courants rotoriques et du champ magnétique rotorique. Un autre inconvénient des machines IMs est leur rendement plus faible comparé à celui des machines synchrones à cause de leurs bobinages au rotor, qui entraînent donc des pertes cuivre et le problème du couple de décrochage.

Ces propriétés des IMs peuvent montrer que ce type de machine présente beaucoup de désavantages, mais avec leur capacité de créer du couple, leur robustesse, leur faible coût et les progrès du pilotage, ce type de machine est très intéressant pour l’utilisation en chaîne de traction des VEHs (ils sont aussi utilisés dans le cas des VE comme par exemple sur la Tesla). 2.4.2.6.3 Machines synchrones

1. Avec des aimants permanents – AP

La machine synchrone à aimants permanents (AP) est une autre candidate importante pour une utilisation dans les chaînes de traction des VEHs. Elle cumule de nombreux avantages comme son volume faible pour une puissance de sortie importante, leur rendement important et une meilleure dissipation des pertes. Les APs sont aussi la seule technologie de machine qui puissent être utilisée dans les solutions de type moteur-roue. Mais la caractéristique puissance-vitesse de ce type de machines peut être limitée et les possibilités de défluxage (méthode de commande de la machine afin de diminuer le flux magnétique créé et permettant accéder à des vitesses importantes à puissance constante) sont plus limitées que celles des machines à rotor bobiné. Le risque d’utiliser un défluxage mal maitrisé est la démagnétisation des aimants d’où il peut résulter une diminution du rendement.

Les caractéristiques des machines à APs dépendent de l’intégration et du nombre des aimants. Ainsi, les aimants peuvent être en surface ou enterré à l’intérieur du rotor. Malgré tous les avantages des machines à APs, le coût et la dépendance, surtout aux pays producteurs de matériaux utilisés dans les aimants comme Nd, Sm etc., ainsi que leur commande similaire aux machines asynchrones, font des machines à APs, des moteurs plus difficiles à intégrer dans les processus de production.

2. Avec le rotor bobiné – MS

La machine synchrone à rotor bobiné (MS) est une autre candidate pour les applications des VEHs. La différence avec les machines à APs est leur bobinage au rotor à la place des aimants permanents. Leur avantage est un défluxage plus facile permettant ainsi d’atteindre des vitesses plus élevées. De plus, comme leur fonctionnement est similaire

à celui des machines à APs, elles en cumulent les avantages et les désavantages. Le désavantage à ajouter est d’avoir un rendement plus faible que celui des machines à APs, (mais aussi densité de puissance et une inertie plus important), en raison des pertes au rotor dues à l’existence des bobinages. Les avantages des machines synchrones à rotor bobiné par rapport aux machines à APs sont le prix et leur indépendance vis-à-vis du marché des aimants permanents.

2.4.2.6.4 Machines à réluctance variable (VRM)

Les machines à réluctance variable (VRMs) suscitent l’intérêt des fabricants de véhicules automobile en raison de leurs potentiels. Comme ces machines ont l’avantage d’être simples à construire, comparativement aux autres types de machine, elles ont une tolérance aux pannes plus importantes, une architecture de commande relativement simple et disposent d’une caractéristique couple-vitesse très adaptée aux VEHs [100].

Leurs inconvénients sont le bruit acoustique, l’ondulation de couple, le besoin d’avoir un convertisseur adapté et la possibilité de génération de bruit résultant d’une interférence électromagnétique. Par conséquent, les VRMs ne sont pas standardisés pour les applications des VEHs, même si des exemples existent.

2.4.2.6.5 Autres types de machine électrique

Un dernier type à ajouter aux machines synchrones est la technologie des moteurs hy-brides (ou le moteur hybride à assistance des APs). Par construction, ces moteurs ont un double rotor et un stator. Le rotor intérieur est un rotor de VRM et le rotor extérieur est un rotor de machine à APs. Ces machines offrent des avantages comme un faible coût des aimants (car elles utilisent des ferrites comme aimants permanents), une meilleure capacité de défluxage et une haute densité de couple pour une large plage de vitesse [101]. Néanmoins, les machines hybrides ont une construction plus complexe donc coûteuse et sont encore en cours de développement pour leur utilisation dans l’industrie automobile.

Dans [100], une comparaison entre ces types de moteurs électriques a été étudiée et un résumé de cette comparaison est illustré ci-dessous.

TABLEAU2.7 –Comparaison des types de machine électrique utilisables pour la traction des VEHs [100] (1 : Mauvais, 5 : Très Bien).

Le Système de Traction Asynchrone Synchrone VRM

Caractéristiques Densité de Puissance ^{3,5 5 3,5} Rendement 3,5 5 3,5 Facilité de commande 5 4 3 Fiabilité 5 4 5 Maturité de Technologie ^{5 4 4} Coût 5 3 4

Dans leTableau 2.7, la machine asynchrone semble être la candidate le plus adaptée à la propulsion électrique des VEHs en zone urbaine. Mais, la solution est dépendante du système et des priorités du constructeur. Pour un véhicule automobile le choix de la technologie de motorisation dépend fortement du coût et du rendement, en revanche pour un véhicule lourd ou militaire, les critères importants sont plutôt la fiabilité et la densité de puissance. Néanmoins, parmi les architectures et classifications des automobiles citées précédemment (Section 2.1), ayant des caractéristiques déterminées par la propulsion électrique, la capacité d’une gamme de vitesse étendue et le rendement énergétique sont les deux caractéristiques de base influencées par la dynamique du véhicule et l’architecture du système. Cela oriente le choix de la technologie de propulsion électrique qui conduit aux calculs de performance (par exemple accélération) liés au besoin de dynamique du véhicule pour satisfaire le niveau de besoin de l’utilisateur. En même temps, les cycles de conduite qui ont été introduits (Section 2.3.1) montrent que le véhicule n’a pas toujours besoin d’avoir un niveau de performance très élevé. Mais les critères comme le rendement du système véhicule dans sa globalité ou l’architecture de la chaîne de traction du véhicule ont également un rôle très important pour le choix de la technologie de propulsion électrique [100].

Récemment, une nouvelle utilisation des machines électriques a été développée pour des applications de traction nécessitant des moteurs plats ou style HUB (moteurs-roue ou pancake). Les caractéristiques de ce type de motorisation sont portées par le besoin de simpli-fication de la chaîne de traction (pas besoin de réducteur), une accélération sans vibrations ou des variations brusques, faibles ondulations de couple, coûts de fabrication réduits et fonctionnement à des températures et des vitesses élevées. Certaines de ces propriétés ont une conséquence directe sur le bruit acoustique et le coût.

A noter que le rendement de la machine à vitesse constante varie avec la charge. Typi-quement le rendement peut varier de 50% à 95% pour un niveau de charges compris dans l’intervalle de 50% à 100% de la charge nominale.