Premières modélisations par Eléments Finis
3.4 Réalisations et essais sur des prototypes
Suite aux diérentes études menées début 2007, le projet d'un inducteur FS a pris de nouvelles orientations. Les plans d'expériences ont abouti à la réalisation de plusieurs prototypes qui ont été caractérisés sur les bancs d'essais Valeo. Il est apparu nettement que les performances attendues n'étaient pas au rendez-vous. Les gains en puissance constatés ont été contrebalancés par des résultats très médiocres en endurance (risque de fraisage de la couronne moteur par exemple).
Les nuances d'aimants frittés utilisées pour ces prototypes constituent néanmoins une alter-native intéressante pour les prochaines années. L'ensemble des congurations de démarreur a été évalué sur un certain nombre de critères rassemblés dans le tableau 3.2. Chacune des congura-tions est dénie par la nuance d'aimant utilisée, l'induction rémanente de ces aimants, la structure d'aimantation (radiale, Halbach segmenté ou Halbach parfait), l'épaisseur des aimants par rapport à la culasse, le rapport de réduction interne et le décalage angulaire des balais. Dans chaque cas, les performances globales ont été appréciées et déclinées suivant un gain en puissance, un gain en couple ou un gain résultant d'une meilleure commutation. Deux critères Valeo gurent dans le
tableau. Il s'agit de la qualité d'accompagnement très importante durant les forts acyclismes des moteurs diesels par exemple et de l'indice de pénétration pignon/couronne (lié au risque de fraisage). Le Tableau 3.2 propose une vue d'ensemble de toutes ces congurations.
3.4.1 Les congurations à aimants Ferrites
La conguration classique (FS18 produit en série) est composée de 6 aimants radiaux en ferrites (Br = 0.4 T). Ce sera notre conguration de référence. Ce démarreur dispose d'un rapport de ré-duction de 6 ce qui lui confère des qualités d'accompagnement et de pénétration pignon/couronne acceptables. Pour améliorer l'endurance de ces démarreurs, Valeo cherche à décaler les balais vers l'arrière. Cette disposition permet de récupérer sur les enroulements d'induit des forces électro-motrices qui aident la commutation. Les arcs électriques entre lames du collecteur et balais sont donc moins intenses et la durée de vie des balais s'en retrouve prolongée.
Suite à notre démarche d'optimisation, un prototype fut maquetté en partant du FS18 et en changeant uniquement la structure d'aimantation (radial vers Halbach). L'inducteur fut recouvert de 24 segments ferrites de 15° chacun reproduisant une structure Halbach segmentée. Ce prototype n'a permis aucun gain de puissance. Le couple était plus élevé conformément aux résultats des simulations, mais évidemment la vitesse était plus lente. Il faut également noter que les machines à aimants ferrites sont très sensibles à la réaction magnétique d'induit puisque les simulations éléments nis montrent un fort décalage de la ligne neutre entre un fonctionnement à vide et en charge. Toutefois, une structure de Halbach réduit sensiblement ce défaut.
3.4.2 Les congurations à aimants NdFeB
Un prototype identique à celui présenté précédemment a été maquetté en NdFeB (Br = 1.15T).
Les essais ont abouti à un doublement de la pente de couple et un gain en puissance d'environ 200 W. Ce moteur fournissant plus de couple mais tournant moins vite que le FS18, il a fallu modier le rapport de réduction pour aboutir à des valeurs acceptables concernant la pénétration pignon/couronne. Un rapport 3.1 permettrait d'avoir un couple identique à celui d'un appareil à aimants ferrites tout en conservant le gain en puissance. Après simulation, il apparaît une nouvelle fois que l'indice de risque de fraisage est fort.
Les études sur l'optimisation de l'inducteur ont poussé Valeo à mettre au point des inducteurs disposant d'un ux magnétique très important. Ces machines oraient donc beaucoup de couple mais de très peu de vitesse à vide. Pour remédier à ce problème Valeo a fait passer le rapport de réduction de 6 à 3 (basculement des courbes vitesse/courant et couple/courant). Ce démarreur n'entraînait pas assez vite le moteur thermique car l'inertie ramenée sur le pignon était quatre fois plus faible que celle d'un démarreur délivrant moins de couple mais disposant d'un rapport de réduction de 6. La vitesse du vilebrequin pendant les compressions restait basse trop longtemps et le moteur ne démarrait pas assez vite.
En résumé, tous ces appareils disposent d'inerties trop faibles et de couples sur l'induit trop élevés. Ils ne peuvent être reçus pour les risques de fraisage précédemment évoqués. Cependant,
il est important de noter que ces appareils subissent moins les eets de la réaction magnétique d'induit. En eet, le décalage de la ligne neutre magnétique est diminué de moitié pour des congurations à Halbach segmentés et de 75% pour une structure Halbach parfaite.
3.5 Conclusion
Cette première campagne de plan d'expériences appliquée à la modélisation des démarreurs Valeo a abouti à plusieurs conclusions notables. Dans un premier temps, l'analyse d'une structure Halbach à 240 aimants a montré l'existence d'optimums. Des simulations ont été aussi élaborées pour valider les maquettes. Ces simulations ont fait apparaître deux types de topologies à 24 aimants ferrites. Il semble que la conguration à un aimant orthoradial, un aimant radial et deux transitions exposée précédemment ore un meilleur couple. Cela montre également que, plus l'ouverture angulaire de la section radiale est importante, plus l'angle β optimal des transitions est élevé. Cependant, il est important de noter que dans des congurations à 24 aimants et pour des calages inducteur/induit à 0°, plus l'ouverture angulaire de la zone radiale est faible plus le couple magnétique est important. L'analyse des deux derniers plans d'expériences met en lumière les bénéces obtenus par l'utilisation de structures à aimantation non radiale. Les trois structures (PE2 à 4) orent des couples magnétiques au rotor supérieurs de 20% à toutes autres structures exclusivement radiales. Ces plans ont permis d'appréhender les eets du calage angulaire. Ce paramètre est du premier ordre par rapport à l'étude de l'orientation des aimants.
Enn, les diérentes maquettes ont démontré que notre méthode de recherche d'optimums était insusante. La méconnaissance de la répartition des courants d'induit semble être une des causes des diérences constatées. La suite du mémoire présente donc un outil permettant de connaître cette répartition : le SimStart.
Table 3.2 Tableau synoptique des congurations traitées