Nomenclature Partie 2
1. Positionnement du Problème
es systémiers se tournent de plus en plus vers des projets visant à utiliser des technologies électriques dans le but de limiter l’impact environnemental. Une des applications actuelles est la traction des aéronefs par des procédés limitant l’utilisation des réacteurs principaux. Messier Bugatti souhaite pouvoir offrir une solution électrique permettant cette traction dans le cadre d’un projet ayant pour dénomination le "Green Taxiing". Les solutions envisagées doivent pouvoir fournir les performances de couple sur une large plage de vitesse (voir Fig.II.1). De part la plage de vitesse importante et les besoins en couple moteur, il est nécessaire d’utiliser des topologies de moteur performantes avec un fort couple massique. Ce principe peut être réalisé par un fonctionnement à vitesse variable d’une machine synchrone ou d’une machine asynchrone [Razik06] à l’aide d’une alimentation à fréquence variable par des onduleurs de tension dont la tension du bus continu est fixée par le réseau d’avion. Les contraintes d’intégration du moteur ont conduit à une solution associant la machine à un réducteur de rapport important (de l’ordre de 60 ici). La plage des hautes vitesses passerait donc de près de 175 tr/min à 10500 tr/min. Le profile couple vitesse de la Fig.II.1, nécessitant un très fort couple au démarrage et à très basse vitesse, un fort couple à basse et moyenne vitesses et un fonctionnement à puissance constante à vitesses élevées, fait apparaître plusieurs points durs à passer (vu de moteur) :
Le couple de démarrage 79.5 N.m Un couple d’accélération de 50 N.m
Un couple à vitesse de croisière de l’ordre de 23N.m
Démarage à 79.5 N.m
Accélération à couple constant
50N.m
Accélération sur une iso puissance 26.4Kw
Vitesse maximale de 10500 trm/min pour un couple de 23 N.m
L
Si l’on utilise les machines synchrones à aimants permanents classiques (MSAP) qui sont connues pour leur compacité (couple massique relativement élevé), on doit vaincre plusieurs problèmes. Le premier est lié au fait que ces machines ne peuvent pas être facilement défluxer de manière significative. De ce fait, d’une part le couple de ces machines est pratiquement proportionnel à l’amplitude (ou la valeur efficace) des courants de phase si l’on néglige l’impact de la saturation et d’autre part la tension nécessaire à imposer le courant augment presque linéairement avec la vitesse. Compte tenu du profil couple-vitesse, la plage de courant d’une MSAP classique doit pouvoir aller du simple (à vitesse maximale) au quadruple (au démarrage). Même si le courant élevé n’est exigé que durant quelque secondes lors de chaque démarrage, il impose des contraintes très sévères à la fois sur le dimensionnement de l’onduleur et sur le dimensionnement des aimants qui peuvent risquer une démagnétisation partielle notamment si la température interne de la machine est élevée [Dubas05]. Pour atténuer les contraintes liées à une très forte valeur du courant au démarrage, nous proposons donc de nous intéresser à une topologie de moteur permettant d’avoir un coefficient de couple variable suivant la vitesse de fonctionnement désirée avec une limitation du courant au démarrage. Etant donné que le coefficient de couple des machines à courant alternatif (synchrone ou asynchrone) est proportionnel au produit du nombre de paires de pôles et du flux magnétisant, on peut envisager des machines permettant de modifier simplement le nombre de paires de pôles, le flux magnétisant ou les deux à la fois, selon la vitesse du fonctionnement de la machine.
En ce qui concerne les machines synchrones, celles équipées d’une bobine excitatrice au rotor ou au stator, qu’elles comportent des aimants permanent ou pas, permettent une modification aisée du flux magnétisant et donc du coefficient du couple. Cependant, ces machines n’autorisent pas la modification du nombre de paires de pôles et nécessitent deux convertisseurs, l’un pour modifier le courant d’excitation (un hacheur par exemple) et l’autre pour contrôler les courants d’induit au stator.
Les machines asynchrones à cage d’écureuil qui ont une structure simple et robuste, permettent aisément de varier son flux magnétisant en agissant sur la composante directe du courant statoriques. De plus, les moteurs asynchrones à cage ont une autre propriété intéressante : leur nombre de paires de pôles est identique à la polarité de la distribution des courants totaux dans les encoches statoriques. Cette propriété est classiquement utilisée pour obtenir deux vitesses de fonctionnement pour certaines machines asynchrones à cage alimentées directement par un réseau à tension et à fréquence imposées. En utilisant des bobinages spécifiques de type Dahlander, configurables à l’aide des contacteurs ou commutateurs dédiés, la distribution des courants dans les encoches statorique peut présenter deux polarités distinctes et
ainsi la machine fonctionne à deux vitesses différentes avec une alimentation à fréquence constante. Pour que les distributions des courants totaux dans les deux configurations soient suffisamment sinusoïdales et n’entraînent pas des pertes excessives au rotor, les bobinages de la machine doivent être bien choisis [St-Michel]. La difficulté d’utilisation de cette solution pour une application à vitesse variable embraquée réside dans la lourdeur et la complexité des contacteurs ou commutateurs nécessaires à la reconfiguration de la polarité des bobinages statoriques.
Nous l’avons vu au chapitre précédent que les machines synchrones peuvent être alimentées par deux onduleurs permettent de garantir les critères de haute disponibilité et de tolérance aux défauts. Mais ce type de machine peut également être considéré comme une machine à 6 phases dont les enroulements sont décalés d’un angle électrique permettant dans certains cas de réduire les oscillations de couples. Ces machines double-étoile sont très intéressantes dans les applications aéronautiques puisqu’elles sont d’une part tolérantes aux défauts et d’autre part permettent une segmentation de puissance. Certaines études sur la segmentation de puissance ont été menées sur des moteurs asynchrones [Hadiouche01]. Ces moteurs sont polyphasés afin de réduire le courant de phase.
Nous proposons dans ce chapitre, une nouvelle solution basée sur l’utilisation d’une machine asynchrone à cage d’écureuil à un bobinage double-étoile alimenté par deux onduleurs de tension permettant la reconfiguration électronique de la polarité de la distribution de courant, sans utiliser les commutateurs mécaniques lourds et complexes. Ainsi, en contrôlant les courants des étoiles par les deux onduleurs nous pouvons non seulement imposer un fonctionnement à vitesse variable et à flux magnétisant réglable sur toute la plage de vitesse, mais également avoir la possibilité de choisir entre deux polarités différentes selon que la machine fonctionne à basse et à moyenne vitesses ou à grande vitesse en modifiant le déphasage relative des courants dans les deux étoiles.
Compte tenu du fait que le coefficient de couple peut-être modifié en agissant à la fois sur les deux leviers que sont le nombre de paires de pôles et le flux magnétisant, nous montrons que cette solution permet de réduire fortement le courant au démarrage, soulageant ainsi les composants des onduleurs, et d’avoir la possibilité d’imposer le couple souhaité sur toute la plage de vitesse avec des niveaux de pertes raisonnables au rotor et stator de la machine.
Ainsi il est envisageable de déterminer une topologie de moteur permettant d’avoir le choix entre deux polarités grâce à la commande. Nous montrons que si le bobinage double-étoile est bien choisi, le changement de la polarité peut être réalisé en effectuant une simple inversion du courant dans l’un des onduleurs. La figure II.2 présente le principe du bobinage double-étoile et la façon de variation de la polarité dans un rapport 2 par l’inversion du courant dans une étoile.
Fig.II.2. Principe du changement de polarité
L’optimisation de ce type de moteur est alors le résultat de plusieurs considérations : La nécessité d’obtenir les gammes de puissance désirées à chaque vitesse
La limitation des pertes dans l’ensemble des configurations L’obtention du couple de démarrage à basse vitesse
Etant donné les deux profils de la vitesse de roulage (Fig.II.3) et la caractéristique couple-vitesse (Fig.II.1), le mode de fonctionnement le plus long et le plus contraignant en terme d’échauffement est l’utilisation à haute vitesse. En effet la période d’accélération dure environ 1min30. Durant cette période la vitesse augmente et le couple diminue à partir d’une certaine vitesse. Une fois cette phase d’accélération terminée, la période de roulage peut durer jusqu’à 10min. Ainsi il est primordial de limiter l’échauffement du moteur durant cette plage d’utilisation
+A +A -A -A V S I V S I +A +A -A -A +A +A -A -A +A +A -A -A V S I V S I Commande Changement polarité MASDE P=2 P=1 meca Décollage de la roue Défluxage puis annulation du courant pour changer de polarité
relativement longue en limitant la densité du courant au stator et le glissement du rotor. Toutefois il sera également important de limiter l’échauffement du moteur dans les autres plages d’utilisation afin d’éviter des pertes trop importantes dans l’ensemble de la phase de « taxiiage d’avion ». Nous allons donc proposer une étude de machine permettant d’obtenir les différentes valeurs de puissances nécessaires tout en limitant les pertes à haute vitesse.
Phase de taxi ‘out’ Phase de taxi ‘in’
Fig.II.3. Deux phases de roulage envisagées
Dans un souci technologique et d’encombrement nous utiliserons un matériau de type fer cobalt. Ce matériau a la caractéristique d’avoir une induction de saturation relativement élevée (proche des 2T). Ces hautes induction de saturation permet de diminuer considérablement la largeur des dents et donc d’augmenter la surface allouée au cuivre. Ce dernier point est primordial car à la vue des performances requises il est nécessaire d’avoir une surface de cuivre importante afin de limiter la densité de courant sur le cuivre. Il est à noter que l’augmentation de l’induction de saturation des matériaux magnétiques permet également d’accroître l’induction moyenne dans l’entrefer de la machine asynchrone avec un courant magnétisant relativement faible ce qui permet aussi de réduire les pertes Joule en réduisant la composante magnétisante du courant. La caractéristique B(H) du matériau magnétique utilisé (VacoFLUX50) est présentée ci-dessous (Fig.II.4).
Etant donné que les machines optimisées doivent être intégrées sur les trains d’atterrissage de l’avion, les dimensions externes de la machine seule (en attaque direct) ou de l’ensemble machine- réducteur mécanique sont soumises à des contraintes assez sévères. Compte tenu de l’ensemble des contraintes mécaniques et thermiques, les exigences de dimensionnement suivantes sont imposées :
Diamètre extérieur : 160mm +- 2mm Longueur max admissible : 75mm+- 2mm
Densité de courant efficace inférieure à 10 A/mm² à vitesse de croisière (10500 tr/min) Epaisseur d’entrefer supérieur à 0.3 mm
Nous allons donc investiguer sur les performances d’une machine asynchrone permettant d’obtenir un changement de polarité avec des performances acceptables vis-à-vis de la caractéristique couple-vitesse définie précédemment.
Nous présenterons dans cette partie les topologies de bobinage permettant d’avoir une reconfiguration possible de la polarité. Nous mettrons en ρuvre deux procédés de bobinage et montrerons qu’une topologie de bobinage de type double couche à fort raccourcissement est la topologie la plus adaptée à notre problématique. Puis nous mettrons l’accent sur l’aspect multi objectif de l’étude paramétrique visant à dimensionner un moteur avec les spécifications requises. Dans le but de rendre le moteur performant sur l’ensemble de la plage vitesse, nous proposerons d’étudier l’impact des différents paramètres liés à la géométrie de la machine et convergerons vers une solution présentant un compromis entre le fonctionnement à basse vitesse et le fonctionnement à haute vitesse. Le moteur ainsi optimisé, nous analyserons les performances du moteur sur l’ensemble de la plage de vitesse et mettrons en évidence l’intérêt de ce type de machine pour l’application considérée. Enfin nous proposerons un modèle circuit de la machine en vue de sa commande. Le bobinage étant particulier, nous proposerons une méthode astucieuse afin de revenir à des considérations connues sur la modélisation de machines asynchrones à cage d’écureuil. Nous présenterons une méthode analytique couplée avec les éléments finis afin d’effectuer l’estimation des paramètres du modèle et nous comparerons ainsi les performances de la machine définie par ces paramètres du modèle équivalent aux performances obtenues par un calcul éléments finis.