Machines à réluctance variable (MRV)

Les machines à réluctance variable inventées en 1842 par Davidson/Paterson [38] sont basées sur un principe de production de couple purement réluctant, facilitant de la sorte le fonctionnement en régime défluxé, avec des profondeurs de défluxage de l’ordre de 10 voire 20.

32 L Lii Eq. I-4

avec Ld l’inductance d’axe d, Lq l’inductance d’axe q et id et iq les courants d’axe d et q.

Deux types de machines se distinguent selon le positionnement des saillances :

- machines à double saillance statorique et rotorique qualifiées de MRVDS et alimentées par des créneaux de courant ou des courants sinusoïdaux

- machines à saillances rotoriques qualifiées de machine synchro-réluctante (MSsyn) avec un stator à bobinage réparti identique à une machine à aimants ou une machine asynchrone

Figure I-28 : Machine à réluctance variable à double saillance (gauche) Machine synchro réluctante (droite)

Le rotor passif des MRV favorise le fonctionnement à haute vitesse de ces machines Brushless ainsi qu’à température élevée.

En effet, l’essentiel des pertes se concentre au niveau du stator beaucoup plus facilement refroidi.

De plus, elles ne sont pas sujettent au problème de démagnétisation des aimants.

Ces machines possèdent également une faible inertie (pas de source de production de flux magnétique aimants ou bobinage).

Toutefois, les ondulations de couple inhérentes aux saillances magnétiques de ces machines sont importantes, particulièrement pour une alimentation en créneaux de courant dans le cadre des MRVDS.

De plus, ces machines (MRVDS, MSsyn) possèdent un facteur de puissance moyen et sont soumises à des problèmes de vibrations et de bruits acoustiques.

De fortes ondulations de courant sur le bus continu ou au niveau de l’organe d’entrée de l’onduleur sont observées pour les MRVDS, ce qui risque de perturber le fonctionnement des organes auxiliaires du véhicule.

Finalement, la fabrication de certaines MSsyn multicouches laminées axialement est coûteuse et complexe de part l’empilage des couches de matériaux ferromagnétiques et de barrière de flux. A l’inverse le rotor des MRVDS est relativement simple et bon marché.

3.1.3.4.1 Machines à réluctance variable à doubles saillances (MRVDS)

Les machines à doubles saillances bénéficient d’un rotor de construction aisée et relativement peu coûteux. De plus, le bobinage statorique, de type concentré permet d’une part de diminuer la longueur des têtes de bobine et de facto les pertes joules et d’autre part de faciliter le bobinage tout en augmentant le facteur de remplissage.

Les inconvénients majeurs de ce type de machines résident dans les fortes ondulations de couple, des

bruits acoustiques et également les ondulations de courant du bus continu (même en alimentation sinus).

Couple démarrage 60 Nm

Puissance générateur 4.3 kW @ 3000 tr/min 78%

5.5 kW @ 5000 tr/min 75 % Longueur fer / totale 78.4 mm / - Diamètre int. / ext. 20 mm / 137 mm

Poids 7 kg

Tension bus continu 42 V

Figure I-29 : Caractéristiques de la MRV 12/8 du SATIE

Le SATIE a prototypé une machine 12/8 pour une application de type ADS comme la StARS VALEO, c'est-à-dire avec un système de transmission de type poulie courroie avec un rapport de l’ordre de 2 à 3 assurant la transmission de puissance entre le moteur thermique et la machine [38]. Cette machine appartient aux applications de type mild-hybrid avec un mode start-stop et freinage récupératif. L’encombrement de la machine correspond environ à celui des alternateurs VALEO actuel (gamme TG) avec toutefois une alimentation en 42Vdc.

Le rotor de la machine, 8 dents, est monté sur un arbre de 20 mm cannelé. Il présente la particularité d’être réalisé avec un paquet de tôles collées de sorte à éviter l’effet de cage d’écureuil provoqué par un soudage axial des tôles entre elles. La tenue mécanique est renforcée par l’ajout de deux flasques en aluminium en face avant et arrière. Le rotor dispose également de deux ventilateurs.

En mode générateur, pour une vitesse de 2500 tr/min soit 600 tr/min au dessus de la vitesse à laquelle la machine est censée commencer à débiter, l’ondulation de courant du bus continu est de 120 A pour un courant moyen est de -18 Adc en mode générateur [38].

3.1.3.4.2 Machines à simple saillance ou synchro réluctante (MSsyn)

Ces machines sont dotées d’un stator à bobinage réparti similaire à celui des machines asynchrones ou synchrones et un rotor saillant. Les performances de ces machines sont inhérentes au rapport de saillance (ratio entre les inductances d’axe d et q) qui doit être le plus élevé possible à tel point que Haataja [19] en propose une classification sur ce critère (Figure I-30) :

la machine à pôle saillant rotorique unique, avec un rapport de saillance de 2 à 3 est réservée aux faibles diamètres ou aux machines à faible coût

machine laminée transversalement (TLA) dont le rotor est fabriqué de manière similaire aux IPM, à partir de tôles fer silicium dans lesquelles les barrières de flux sont découpées par poinçonnage ou découpe laser. La tenue mécanique de la machine impose la création de ponts magnétiques au voisinage de l’entrefer. Les TLA des rapports de saillances supérieurs à 10 en fonction du nombre barrières de flux.

machine laminée axialement (ALA), pour laquelle les parties magnétiques sont superposées (empilage) à des parties amagnétiques jouant le rôle de barrières de flux. Des aimants peuvent être insérés dans les barrières de flux afin d’améliorer leur facteur de puissance et leur rendement. Cette structure possède également des rapports de saillance en général supérieurs aux TLA du fait de l’absence de pont magnétique à l’extrémité des barrières de flux. Toutefois, elles demeurent beaucoup plus coûteuses à fabriquer que les TLA.

Figure I-30 : (a) machine à simple saillance, (b) machine laminée transversalement (TLA), (c) machine laminé axialement (ALA)

Raminosoa dans [39] démontre que pour les mêmes pertes joules, le même stator et le même état de saturation, et à température ambiante (température d’air de 25°C) la MSsyn fournit plus de puissance qu’une machine asynchrone mais que cette dernière possède en général un facteur de puissance légèrement supérieur. A titre d’exemple, une machine asynchrone de 11 kW dispose d’un facteur de puissance de 0.87 tandis qu’il est de 0.85 pour une machine synchro-réluctante équivalente [19]. L’ensemble de ces atouts ajoutés à un meilleur rendement font de la MSsyn un concurrent des machines asynchrones, particulièrement pour des alterno-démarreurs haute vitesse et/ou haute température de part la robustesse de son rotor et l’absence de bobinage rotorique difficilement refroidissables. Ces machines peuvent être pilotées sans capteur de position en raison d’un mode de fonctionnement synchrone et la grande différence entre les inductances d’axe d et q (en absence de forte saturation).

La machine synchrone à aimants à pôles lisses à température ambiante est de loin supérieure à la machine synchro-réluctante en termes de couple et de facteur de puissance. La MSsyn étant également sujette à de fortes ondulations de couple (20% du couple de base [19]), des bruits acoustiques et des vibrations.

Toutefois, la MSsyn (TLA) reste moins chère à fabriquer (absence d’aimants). De plus, elle n’est pas limitée en courant par le risque de démagnétisation des aimants et peut en outre fonctionner à des températures élevées. Enfin, elle présente un meilleur comportement en court-circuit que la machine à aimants, ne serait que par l’absence d’excitation.

La recherche bibliographique n’a pas révélé d’alterno-démarreurs utilisant ce type de machine, même si la TLA semble être le seul candidat économiquement viable pour cette application.