CHAPITRE IV : REALISATION DU PROTOTYPE ET ESSAIS
1. STRUCTURE DU PROTOTYPE
Dans les deux chapitres précédents, nous avons procéder à la modélisation électromagnétique et thermique de la structure représentée dans la figure IV-1. Notre but est de construire un prototype de faible puissance afin de valider le processus d’étude et de conception. La construction d'une telle structure pose plusieurs défis majeurs, sachant que cette machine présente trois entrefers. Compte tenu de la complexité mécanique de la structure étudiée, nous avons opté pour une structure légèrement différente de celle de la figure IV-1 mais qui présente un même couple électromagnétique.
La figure IV-2 représente la structure retenue en vue de la fabrication. A la différence de la structure étudiée, cette structure possède une culasse à encoches au niveau de l’armature externe dans lesquelles sont logés des aimants permanents. Ces aimants de type NdFeB N42 sont aimantés tangentiellement de façon à créer de la concentration de flux au niveau de l’entrefer externe du rotor basse vitesse. Cette culasse à encoches a été choisie afin de faciliter l’insertion des aimants permanents. La hauteur des aimants a été choisie afin d’avoir la même valeur de
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couple que celle de la structure étudiée dans le chapitre II grâce à un calcul par éléments finis en magnétostatiques.
Figure IV-1 : Structure de la MaGIM étudiée.
L’entrefer qui sépare le rotor faible vitesse et l’armature externe est réduit à 1.5 mm de façon à placer une couronne à la base de tôles en dessous des encoches. Cette couronne permet le renforcement mécanique de l’armature externe.
Figure IV-2 : Structure retenue de la MaGIM pour le prototype.
Les pièces ferromagnétiques sont placées dans une culasse fabriquée en fibre de verre (matériau G11). Cette culasse possède une hauteur de 11 mm et présente des encoches de 10 mm de profondeur afin de permettre l’insertion des pièces ferromagnétiques. Nous avons opté pour des pièces ferromagnétiques à partir de matériaux SMC (Soft magnetic composite, voir en Annexes) car ce matériau offre de meilleures performances en termes de pertes par courants induits tout en conservant des caractéristiques magnétiques acceptables.
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Les aimants permanents du rotor haute vitesse sont segmentés en cinq segments dans la direction ortho-radiale et en trois segments axialement pour limiter les pertes par courants de Foucault. Nous avons opté pour des aimants rectangulaires (droits) à l’inverse des aimants en forme de tuiles que nous avions dans la structure étudiée. Ces aimants rectangulaires ont été choisis car ils représentaient un bon rapport qualité/prix par rapport aux aimants en forme de tuiles qui avaient un prix beaucoup plus élevé. De plus, ces aimants présentent une insertion facile. Comme nous l’avons évoqué lorsque nous avons élaboré le bilan thermique de la machine, ces aimants sont de type SmCo S300 (voir les caractéristiques en Annexe).
Nous avions prévu un trou central afin de véhiculer l’air dans la structure étudiée pour le refroidissement. Compte tenu de la complexité de la structure, nous avons opté pour un arbre plein qui permet de supporter l’effort mécanique et le poids de la MaGIM. Cette structure repose donc sur un arbre massique grâce à des roulements. Cet arbre est uniquement creux à une de ces extrémités pour sortir les fils des phases du stator ainsi que les fils du capteur de vitesse du rotor haute vitesse et les thermocouples.
Les principaux paramètres géométriques de la structure retenue sont donnés dans le tableau IV-1.
Puissance
Tension entre phase Nombre de phase
1 kW 400 V
3
Longueur utile
Rayon interne de la MAS Epaisseur d’entrefer de la MAS
150 mm 30 mm 0.3 mm
ROTOR BASSE VITESSE ROTOR HAUTE VITESSE
Diamètre extérieur 234 mm Diamètre extérieur 207.8 mm Diamètre intérieur 212 mm Diamètre intérieur 124.6 mm Hauteur des pièces SMC 10 mm Hauteur des aimants SmCo 5 mm Largeur des pièces SMC 15 mm Largeur des aimants SmCo 29 mm Entrefer extérieur 1.5 mm Entrefer intérieur 2 mm
ARMATURE EXTERNE
Diamètre extérieur 270 mm Diamètre intérieur 237 mm
Hauteur des aimants NdFeB 15 mm Largeur des aimants NdFeB 5 mm
Tableau IV-1 : Paramètres géométriques de la structure du prototype.
Finalement, les dimensions extérieures de la machine réalisée sont indiquées sur la figure IV-3. Il faut noter que nous n’avons pas cherché à optimiser les dimensions des pièces de maintien de la MaGIM ni leurs masses. Pour éviter des influences magnétiques et des pertes supplémentaires par courants de Foucault, toutes les pièces extérieures ont été réalisées en acier inoxydable peu magnétique.
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Comme le montre la figure IV-3, la machine fait 270 mm de diamètre et une longueur totale de 377 mm. La partie active ne fait quant à elle que 150 mm de longueur utile. Le poids total de la machine a été estimé à 115 Kg.
Dans la figure IV-4 est représentée l’allure du couple statique de la structure du prototype, obtenue à partir d’un calcul éléments finis 2D. Cette structure possède un couple maximal transmissible de 312 Nm. Cette valeur est légèrement inférieure à la valeur du couple maximal transmissible de la structure étudiée (dans le chapitre II) qui était de 350 Nm. Par conséquent nous pouvons dire que la structure retenue pour le prototypage de la MaGIM reste acceptable.
Figure IV-3 : Dimensions principales du prototype.
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1.2. Calcul de la structure retenue 1.2.1. Carte de champ
La différence entre la structure étudiée au chapitre II et le prototype se situe au niveau du stator externe. Nous avons opté pour des aimants à concentration de flux pour des raisons de facilité de montage. Pour pouvoir réaliser les tôles, il est nécessaire de placer des « ponts » sur le rayon interne des tôles pour augmenter leur rigidité. Pour éviter le court-circuit magnétique, il faut choisir correctement l’épaisseur des « ponts » de manière à les saturer magnétiquement.
Nous présentons sur la figure IV-5 la répartition de l’induction magnétique et des lignes de champ de l’engrenage magnétique à concentration de flux sur la culasse externe.
Les ponts, d’une épaisseur de 0.5 mm (obtenue par itération) rajoutés au niveau de la culasse externe sont très saturés et possèdent une induction magnétique qui atteint les 2.5 T. Cette hauteur a été obtenues grâce à un calcul EF en magnétostatique, après avoir fait variée la hauteur des ponts de 0.3 à 0.7 mm Nous pouvons dire que cette partie magnétique se comporte comme de l’air et la majorité des lignes de champs traverse l’entrefer. Une valeur d’induction importante est également observée au niveau des extrémités supérieures des pièces ferromagnétiques (fuites de flux).
Figure IV-5 : Carte de champ de l’engrenage magnétique seul.
La figure IV-6 représente une vue agrandie de l’engrenage magnétique au niveau des aimants à concentration de flux. Nous remarquons que les ponts sont très saturés. Les lignes de champ passent ainsi en plus grand nombre au niveau des pièces ferromagnétiques à travers l’entrefer, compte tenu de leur perméabilité. Nous remarquons des fuites de champ caractérisées par des lignes qui se rebouclent à l’extérieur de l’engrenage magnétique dans l’air. Ces fuites restent cependant acceptables par rapport aux interactions existantes entre les différentes parties de la MaGIM.
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1.2.2. Segmentation des aimants
Les aimants permanents constituent la partie la plus onéreuse dans une machine à aimants. Leur prix dépend de leurs formes, leurs dimensions et leurs directions de magnétisation pour un même matériaux [VIR17]. Pour une facilité de placement et une diminution des pertes et des coûts, nous avons remplacé les aimants permanents du rotor haute vitesse qui étaient en forme de tuiles par des aimants permanents rectangulaires (de forme plus simple) qui possèdent des dimensions standards et qui peuvent être facilement trouvés sur le marché.
Figure IV-6 : Vue agrandie de la carte de champ de l’engrenage magnétique.
Pour pouvoir déterminer les pertes par courants de Foucault dans les aimants, il est nécessaire de connaitre leur conductivité électrique σ. Nous effectuons un calcul par éléments finis 2D en pas à pas dans le temps afin de déterminer la valeur des pertes dans les aimants en introduisant la conductivité électrique des aimants permanents SmCo du rotor haute vitesse, la conductivité électrique des aimants NdFeB de l’armature externe ainsi que la conductivité électrique des pièces ferromagnétiques en SMC. Le calcul 2D ne prend pas en compte la longueur axiale de la machine, par conséquent, seule la segmentation ortho-radiale est étudiée à l’aide de ce calcul. Le tableau IV-2 donne les valeurs des conductivités électriques employées dans le calcul. Ce calcul est effectué pour deux structures du rotor haute vitesse. Une structure à aimants permanents non segmentés (une tuile par pole) et une structure à aimants permanents à cinq segments (5 aimants rectangulaires formant un pôle). Pour les deux structures, le rotor haute vitesse a été positionné afin d’être au niveau du couple maximal produit par l’engrenage magnétique (312 Nm). La vitesse de rotation est de 750 tr/min pour le rotor haute vitesse et 50 tr/min pour le rotor basse vitesse.
Domaine Aimants SmCo Aimants NdFeB Pièces SMC Conductivité
électrique 𝛿 [Ω.m]-1 1 ,17.106 0,66.106 0,03.106
Tableau IV-2 : Conductivité électrique des aimants et des SMC.
Nous représentons sur la figure IV-7 la densité de courant dans les aimants au niveau du rotor haute vitesse pour une structure à aimants segmentés ortho-radialement et une structure à
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aimants non segmentés. Les courants induits sont plus importants au niveau des extrémités du pole (proche des pièces ferromagnétiques) au niveau des deux structures.
Nous remarquons également que la distribution des courants induits est mieux répartie au niveau de la structure à aimants segmentés. La valeur maximale atteinte par la densité de courant vaut environ 1 A/mm² mais elle est très localisée.
(a) Aimants segmentés. (b) 1 seul aimant en tuile.
Figure IV-7 : Densité de courant au niveau d’un pôle du rotor haute vitesse.
Nous présentons dans le tableau IV-3, les pertes moyennes dans les aimants des deux structures. Nous pouvons conclure de ces résultats que la segmentation ortho-radiale nous permet de réduire les pertes dans les aimants du rotor haute vitesse où elles sont pratiquement divisées par deux. On remarque que la segmentation des aimants du rotor haute vitesse a un impact positif sur les pertes dans les aimants de l’armature externe et les pertes au niveau des SMC.
Structure à aimants segmentés (5 segments)
Structure à aimants non segmentés Pertes dans le rotor haute
vitesse [W] 24,63 45
Pertes dans l’armature
externe [W] 8,08 10,31
Pertes dans le rotor basse
vitesse [W] 2,83 3,10
Tableau IV-3 : Pertes aux niveaux des aimants et des SMC pour deux structures étudiées.
L’étude des pertes pour la segmentation axiale n’a pas été réalisée car elle nécessite un calcul 3D. Néanmoins, une segmentation axiale de 3 aimants de 50 mm a été réalisée pour le prototype pour limiter davantage les pertes et pour des raisons pratiques.
2. CONCEPTION MECANIQUE