Solution pour un moteur polydiscoïde

Pour obtenir les avantages sur les performances assurées par la réduction de l’entrefer sur une structure polydiscoïde, le concept de système de compensation des efforts de plaquage est envisagé. Dans ce cas il est donc nécessaire de laisser libre en translation les différents disques (rotors et stators) le long de l’arbre de rotation. Les disques viennent alors se coller les uns aux autres. Afin de réduire les efforts magnétiques de plaquage qui s’exercent alors sur les disques d’extrémité, créant alors des efforts de réaction entrainant la friction, il faut donc tirer un disque d’extrémité grâce à un système externe. Si l’effort de traction vient compenser l’effort

2.3. Conclusion

magnétique qui s’exerce sur ces disques d’extrémité, on a alors un contact glissant entre les disques, avec une friction réduite voire nulle. Il est alors possible d’obtenir le maximum de performances de l’actionneur en cumulant l’entrefer le plus faible et l’absence d’efforts résistants de friction. La figure 2.22 illustre ce système sur un actionneur polydiscoïde, composé de 3 rotors, et 7 stators (les stators intermédiaires sont solidaires).

FIGURE2.22 – Illustration du système de compensation des efforts de plaquage sur un moteur discoïde

Dans ce système, les disques sont alors tous libres de translater le long de l’arbre de rotation (axe x). Les rotors sont fixés à l’arbre de rotation et sont libres en rotation par rapport au bâti. Les stators sont fixés sur le bâti, et donc sont bloqués en rotation par rapport au bâti. Une structure discoïde a un avantage notable pour l’application de ce système : la surface disponible pour venir tirer le disque d’extrémité est importante. Contrairement à l’actionneur polyentrefer multilame, où les bobinages globaux empêchaient d’utiliser la surface entière, ici la surface du disque n’est pas occultée. Il est donc envisageable d’utiliser un actionneur de type électro-aimant pour compenser l’effort magnétique créé par l’interaction aimant/fer entre les disques sur la surface d’entrefer. L’électro-aimant est donc une solution envisagée par sa simplicité de conception et de mise en œuvre pour notre application. De la même façon que pour le système linéaire, un système passif est à prévoir pour compenser une partie constante des efforts, permettant fonctionnement avec cette seule composante.

Un prototype discoïde sera présenté dans la suite du manuscrit. Ce système de compensation sera donc intégré à cette machine pour permettre de valider le système au complet sur un actionneur fonctionnel. Il sera donc décrit plus précisément dans la suite du manuscrit.

2.3 Conclusion

Ce chapitre a permis de mettre en avant deux des principaux problèmes rencontrés avec les structures polyentrefers. Ces structures permettant d’accroitre les performances d’un actionneur électromagnétique, sont sujettes à des difficultés techniques liées à la diminution des éléments actifs et de l’entrefer de la machine. Cette réduction de la grandeur des éléments tels que les

CHAPITRE 2. Contraintes possibles des technologies polyentrefers

aimants, les éléments ferromagnétiques ou l’entrefer implique d’avoir des tolérances très faibles. Cette tolérance mécanique et la précision qui y est associée ont alors un impact notable sur le prix de fabrications de telles machines.

Ce chapitre a permis d’illustrer et de calculer l’impact d’un défaut sur la largeur nominale des aimants sur l’actionneur linéaire polyentrefer construit à l’Institut d’Électronique du Sud. Lors d’une différence sur la largeur des aimants par rapport au dimensionnement, il apparait un effort de crantage magnétique sur l’actionneur non alimenté.

Dans les mêmes circonstances, lors d’une alimentation sinusoïdale, l’effort utile développé est aussi dégradé. Il est composé d’une valeur moyenne plus faible que la valeur nominale, et d’une forte ondulation de fréquence double par rapport à la fréquence d’alimentation. Ce phénomène existe alors car les phases ne sont plus déphasées de la valeur initiale, déséquilibrant alors le système complet.

La solution permettant de supprimer cette ondulation et le crantage magnétique est alors de rectifier les cales magnétiques intermédiaires, réalisant le déphasage, afin qu’il puisse réaliser la bonne phase. Ce chapitre montre que cette correction permet de réduire fortement l’ondulation sur l’effort utile en annulant l’harmonique de rang 2, sans dégrader les performances de l’actionneur de plus de quelques pourcents. De la même manière sur un actionneur rotatif, afin de réaliser l’assemblage en prévoyant qu’une largeur maximum des aimants afin de tous les insérer, il est nécessaire de prévoir le positionnement dans le cas où les aimants sont de largeur plus faible. Une solution envisageable est de prévoir des éléments amagnétiques permettant de positionner les aimants et de caler les groupes d’aimants pour éviter des ondulations et des dégradations trop grandes. L’actionneur discoïde qui résulte des travaux présents dans ce manuscrit présentera une telle solution. Elle permet de positionner correctement plusieurs groupes d’aimants le long du rotor en plaçant des éléments amagnétiques répartis sur le disque rotorique. Ces éléments seront alors rectifiés lors du montage en fonction de la longueur du groupe d’aimants qu’elles encadrent.

L’utilisation de structures polyentrefers occasionne l’utilisation d’éléments moins rigides et un entrefer plus faible. Il devient alors difficile de garantir un entrefer constant et identique de part et d’autre des parties mobiles. La deuxième section de ce chapitre a permis de montrer l’impact d’un déséquilibre existant entre les lames. Ce déséquilibre lié au jeu mécanique et aux différences d’épaisseur des éléments, entraine un plaquage de la partie mobile sur une partie fixe. Il existe alors un effort de résistance, due à de la friction, qui pénalise les performances de l’actionneur. Il peut dégrader les éléments et accroitre la température de fonctionnement. La solution d’un actionneur frottant permet de réduire ce déséquilibre et cet effort de friction. Cependant le jeu mécanique existe nécessairement pour garantir le montage mécanique, le respect des tolérances et le maintien des lames. Les performances annoncées par l’actionneur multilame linéaire prennent en compte cette friction, avec un ajout obligatoire de revêtement favorisant un glissement des lames entre elles plus performant.

Une solution innovante est présentée dans ce manuscrit [DUM11] : laisser libre les parties mobiles et fixes en mouvement dans l’axe de l’entrefer. Elles sont alors naturellement en contact car il existe un effort de plaquage qui tend à rapprocher les deux parties fixes d’extrémité vers

2.3. Conclusion

les parties mobiles. Laissées ainsi, il y a alors un effort de friction important s’opposant au déplacement dû aux efforts normaux de contre-réaction. La proposition est alors de créer un effort compensatoire pour annuler cet effort de plaquage en tirant l’élément d’extrémité par rapport au bâti. Lorsque les parties sont en contact, mais que l’effort compensatoire annule cet effort de plaquage, il n’y a alors plus de force d’action-réaction et donc aucun frottement ne s’oppose au déplacement. Ce système a été initialement prévu pour l’actionneur multilame linéaire du laboratoire.

Une maquette a permis de vérifier et valider le concept avec un système passif dans un premier temps. La partie active étant plus complexe à mettre en œuvre notamment à cause de problèmes technologiques, elle n’a pas pu être validée. L’enjeu du système de compensation actif réside sur l’utilisation d’actionneurs permettant de créer un effort variable. Dans le cas de l’actionneur multilame avec un bobinage global, la surface d’application de cet effort important est faible. Il nécessite donc des actionneurs permettant de grands efforts surfaciques comme les actionneurs piézoélectriques. De plus il faut mesurer l’effort de plaquage pour permettre de le compenser exactement. Cet effort est difficile à mesurer directement sur la surface qui est la zone de friction. Les travaux de ce manuscrit sont menés en parallèle avec l’étude d’une machine poly-discoïde. La validation de ce concept de compensation des efforts de plaquage est proposée sur ce type de moteur. Dans ce cas, l’effort de plaquage étant directement lié la surface des disques d’extrémité et à la place disponible. Il sera plus facile d’utiliser un actionneur de type électro-aimant. La suite du manuscrit présente donc les études électromagnétiques qui ont conduit au choix d’un type de machines polydiscoïdes, avec le système de compensation des efforts de plaquage. Le concept pourra alors être validé sur un moteur fonctionnel.

Chapitre 3

Étude d’une machine polydiscoïde à

bobinage dentaire et couplage polaire

« On ne fait jamais attention à ce qui a été fait ; on ne voit que ce qui reste à faire. » Marie Curie

CHAPITRE 3. Étude d’une machine polydiscoïde à bobinage dentaire et couplage polaire

Au cours du premier chapitre, le contexte de l’étude a été précisé : le développement d’un moteur roue rotatif à entrainement direct dont l’encombrement est faible pour le projet Green Taxiing. Le choix de la structure s’est porté sur un moteur polydiscoïde. Ces machines particulières, moins étudiées, semblent être un atout majeur pour ce projet. L’utilisation de plusieurs surfaces d’entrefer en parallèle permet d’avoir de bonnes performances volumiques et massiques. Un soin particulier doit cependant être apporté aux tolérances des éléments et à la réalisation comme cela a été vu dans le deuxième chapitre. Afin d’avoir de bonnes performances, il est aussi nécessaire de réduire l’entrefer. L’intérêt de cette réduction et l’utilisation d’une structure à entrefer réduit avec le système de compensation, vis à vis du couple développé, seront illustrés dans les prochains chapitres. Plusieurs structures polydiscoïdes existent, et il est difficile pour cette étude de toutes les comparer dans les mêmes conditions.

Deux structures de moteurs ont été choisies dans le cadre de ses travaux. Ce chapitre porte sur la machine polydiscoïde à bobinage dentaire et à couplage polaire. Dans un premier temps, la structure est présentée ainsi que les grandeurs caractéristiques. Le dimensionnement et l’étude paramétrique sont définis. Les résultats permettent de montrer l’intérêt notable d’une structure à entrefer réduit et de dégager des tendances permettant d’optimiser le couple massique et volumique pour le projet. Plusieurs solutions avec 6 et 8 stators sont présentées, en comparant les structures ayant un entrefer classique avec celles ayant un entrefer réduit.

3.1 Présentation de la structure

Pour la première étude, le choix s’est donc porté sur une machine à flux axial à bobinage dentaire et un couplage polaire. Ces structures peuvent avoir l’inconvénient d’une perte de place due au cuivre et aux têtes de bobines. Contrairement aux structures à bobinage global qui ont souvent moins de pertes par effet Joule, les têtes de bobines peuvent pénaliser la masse et le volume de telles machines (chapitre 1).

Le choix d’une structure polydiscoïde est aussi motivé par le caractère modulaire de telles structures. Dans un tel cas, il est aussi possible de choisir une architecture composée d’une seule phase par élément de base ou par entrefer. Cela permet d’avoir une meilleure efficacité qu’une structure à bobinage dentaire polyphasé par disque, sans utiliser un bobinage global. L’élément de base est une machine à rotor interne et à stators encochés. Le bobinage est monophasé et dentaire, et la structure est à couplage polaire.