Principes de conception des machines électriques spécifiques à l’utilisation des

Plusieurs principes de conception de machines électriques sont spécifiques aux matériaux magnétiques composites. Les principaux avantages de ces derniers par rapport aux matériaux conventionnels sont l’isotropie magnétique, électrique et thermique ainsi que la possibilité de mise en forme de pièces plus complexes avec des tolérances dimensionnelles serrées.

Alors que les machines réalisées avec des matériaux conventionnels sont limitées à la circulation du flux magnétique dans le plan des tôles, les machines réalisées avec les matériaux composites permettent une circulation tridimensionnelle du flux.

Le principe de conversion ou de stockage de l’énergie électromagnétique impose le couplage intime et l`enchevêtrement du circuit magnétique et du circuit électrique constitué par les bobinages. Dans le cas des tôles, l’anisotropie impose un circuit magnétique avec une circulation bidimensionnelle du flux. La seule solution topologique disponible pour le circuit électrique constitué par les enroulements consiste alors à enrouler les conducteurs en cuivre autour du circuit magnétique avec un couplage optimal pour maximiser les performances. Ces contraintes conduisent généralement à des structures de bobinages relativement difficiles à produire, bien qu’il s’agisse là de la seule solution utilisée industriellement depuis plus d’un siècle dans le cas des circuits magnétiques faits de matériaux laminés.

L’isotropie du matériau composite permet la circulation tridimensionnelle du flux dans les culasses du circuit magnétique. Ce nouveau degré de liberté au niveau du couplage des circuits magnétiques et électriques des machines permet d’envisager des solutions topologiques originales dans lesquelles le circuit magnétique, fait d’un matériau isotrope, peut également être « enroulé » autour des conducteurs en cuivre du circuit électrique. L’application d’un tel concept peut alors être éventuellement utilisé pour simplifier la réalisation des bobinages sous forme d’enroulements dits concentrés, centralisés ou « concentrés-centralisés » [29]. Ce concept a été utilisé depuis de nombreuses années pour la réalisation de machines à griffe monophasées, notamment pour le circuit inducteur des alternateurs d’automobile dans lesquels un matériau massif isotrope est utilisé. Les pertes magnétiques de la machine sont acceptables dans ce cas car

cette portion du circuit magnétique est soumise à une excitation continue avec une faible composante alternative.

La première utilisation de l’isotropie des propriétés magnétiques des matériaux composites a consisté à modifier la taille du circuit magnétique de la machine dans la direction axiale. L’épanouissement de la surface du pôle se fait uniquement dans le plan des tôles dans les machines classiques. Avec les matériaux magnétiques composites, le pôle peut également posséder un épanouissement dans le sens axial (cf. figure 1.15). Il est possible, avec une telle approche, de maximiser la longueur axiale active du circuit magnétique de la machine (variable l dans l’équation du couple 1-11) dans un encombrement axial imposé par le cahier des charges. Cette approche topologique appelée « insertion axiale des têtes de bobines » est particulièrement intéressante dans les machines à bobinages concentrés [30].

Figure 1.15 : Épanouissement des pôles dans la direction axiale pour une machine faite de matériaux magnétiques composites [30]

Une topologie de transformateur et d’inductance déjà existante, utilisée avec les matériaux isotropes de type ferrites est la structure à symétrie cylindrique communément appelée « pot- core ». Cette topologie ne peut pas être réalisée avec des tôles car la circulation du flux magnétique y est tridimensionnelle. Cette structure peut-être améliorée en y intégrant des ailettes de refroidissement dont la direction est alignée dans l’axe de symétrie de la structure cylindrique. (cf. figure 1.16).

Figure 1.16 : Circuit magnétique à symétrie cylindrique avec ailettes de refroidissement « magnétiquement actives » [31]

Le matériau magnétique des ailettes de refroidissement présentées à la figure 1.16 est utilisé pour la circulation du flux magnétique dans leur section transversale. On maximise ainsi la surface de dissipation de chaleur et les performances de la machine en termes d’élévation de température sans augmenter la masse du circuit magnétique. Cette approche illustre une approche particulièrement prometteuse de la technologie des matériaux magnétiques composites : le concept d’intégration des fonctions de la machine en un nombre limité de pièces (dans le cas considéré, les ailettes « magnétiquement actives » réalisent une intégration des fonctions électromagnétiques (canalisation du flux) et thermiques (dissipation du flux de chaleur) en un nombre minimal de pièces à produire) [31].

Plusieurs nouvelles topologies de machines tournantes requièrent un matériau isotrope. La plus simple est la machine à flux axial et radial combiné [32]. Avec les matériaux classiques, la direction des tôles impose une structure soit axiale ou radiale, alors qu’avec les matériaux magnétiques composites, il est possible que le flux circule à la fois dans les directions axiale et radiale sans créer d’augmentation des courants de Foucault. Les machines à flux transverse utilisent aussi des parties magnétiques, appelées « pieds » dans la littérature, dans lesquelles le flux circule selon trois directions ce qui rend l’utilisation d’un empilement de tôles impossible. Une technique de fabrication de la machine à flux transverse consiste à utiliser un circuit magnétique hybride comportant une partie avec des tôles pour le transport du flux du bobinage

vers les pieds qui sont dans le même plan, et une partie faite de matériaux magnétiques composites pour les pieds. Ces machines ont un pas polaire très court et exigent un entrefer très faible [33]. La méthode de fabrication développée pour minimiser l’entrefer consiste à réaliser un circuit magnétique hybride et à usiner le stator afin d’améliorer la tolérance mécanique [34]. L’usinabilité des matériaux magnétiques composites est alors mise à profit dans une telle application [35]. Une autre utilisation de circuit magnétique hybride, présentée par Jack et al. [36], consiste en une machine à flux axial dont la circulation du flux est assurée, dans la direction radiale, par des tôles et dans la partie axiale, par des matériaux magnétiques composites.

La réalisation du bobinage est une étape importante de la fabrication d’une machine électrique en termes de complexité et de coût. Dans les faibles et les moyennes puissances, les conducteurs peuvent être directement enroulés sur le circuit magnétique, ce qui nécessite une bobineuse relativement complexe. Dans le cas des machines à fort courant, on peut également réaliser des sections préformées du bobinage (barres), insérées manuellement dans les encoches à l’assemblage mais cela implique d’utiliser des encoches ouvertes qui peuvent, suivant le cas, dégrader les autres performances (couple de détente, pertes magnétiques supplémentaires, augmentation de l’entrefer magnétique effectif, etc.) [28].

Dans le cas des machines faites de matériaux magnétiques composites, les bobinages concentrés, centralisés ou « concentrés-centralisés » associés à des topologies spécifiques de circuit magnétique avec circulation tridimensionnelle du flux peuvent être réalisés séparément avec des coefficients de remplissage élevés, puis insérés automatiquement au cours des dernières étapes d’assemblage de la machine [29, 37]. Ces techniques, intéressantes en termes de coût de fabrication, sont utilisables en raison des faibles tolérances dimensionnelles des pièces obtenues par la mise en forme par pressage ce qui permet la réalisation de circuits magnétiques tridimensionnels par assemblage serré de pièces élémentaires. On peut ainsi assembler des secteurs de stator ou de rotor identiques au lieu de les réaliser en une seule pièce pour fabriquer des machines de grande taille avec les matériaux magnétiques composites [38].

Au niveau du refroidissement, il est avantageux d’utiliser les matériaux magnétiques composites car ils permettent de faire circuler le liquide de refroidissement directement dans des canaux fabriqués dans le circuit magnétique [29, 39]. L’isotropie du matériau permet le transport de la

chaleur dans les 3 dimensions, ce qui permet, contrairement aux tôles, de maximiser la surface de dissipation de la machine.