Structures de fabrication facile

L’autre tendance concerne les structures avec un procédé de fabrication simple. Parmi les structures qui peuvent répondre à cette définition générale, nous nous concentrons sur des structures avec deux caractéristiques spécifiques qui sont reliées entre elles : un bobinage global et une réalisation avec des pièces ferromagnétiques massives.

Le bobinage global (déjà présent dans quelques structures citées) consiste à un enroulement de forme toroïdale. Ce bobinage présente l’avantage d’être simple à fabriquer, il possède un facteur de remplissage élevé et sans têtes de bobines. Le bobinage global donne lieu à des structures où les trajets de flux sont tridimensionnels. Une autre caractéristique des machines à bobinage global est que tous les pôles voient la même force magnétomotrice du bobinage. Une augmentation du nombre de pôles se traduit normalement par une augmentation de la densité linéique du courant et donc du couple de la machine. Dans les machines conventionnelles, une augmentation du nombre de pôles se traduit par une réduction équivalente de la force magnétomotrice. Ainsi, pour le bobinage global, le nombre de pôles dépend du nombre des pôles créés par la structure ferromagnétique. Ceci est une caractéristique commune des machines à griffes et des machines à flux transverse.

Les trajets de flux tridimensionnels obligent à l’emploi de pièces massives pour acheminer les flux dans la machine. Les pièces ferromagnétiques peuvent être fabriquées dans différents matériaux, comme l’acier, la fonte ou les matériaux doux composites. Dans le chapitre III, nous abordons le design d’une excitatrice à griffes en fonte.

Nous portons maintenant plus d’attention sur les matériaux doux composites ou Soft

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Matériaux doux composites (SMC) : Le SMC est formé par de la poudre de fer compactée à haute pression (aux alentours de 600-800 MPa) avec une liant amagnétique. Le matériau atteint des masses volumiques (aux alentours de 7500 𝑘𝑔/𝑚3 [HOG1]) proches de celles du fer. La structure granulaire du SMC conduit à une isotropie dans les propriétés magnétiques et thermiques. Cette structure granulaire a aussi des pertes par courants de Foucault faibles. Une étude des pertes fer dans le SMC est développée en [BAR10a]. La réduction des pertes par courants de Foucault est spécialement intéressante à hautes fréquences (à partir de 500 Hz). Pourtant, la structure granulaire produit également une diminution de la perméabilité magnétique car chaque interface entre grains constitue un entrefer. La perméabilité et la polarisation à saturation du SMC sont inférieures à celles des tôles magnétiques.

Le SMC est étudié depuis plusieurs années au sein du milieu académique, soulignant les travaux réalisés par des équipes de l’université de Newcastle et de l’université de Sidney. Cependant, son implantation au niveau industriel reste encore modérée ce qui constitue une opportunité.

Les méthodes de production des pièces en SMC sont facilement automatisables, les chutes de matière sont faibles, et les pièces n’ont pas besoin d’usinage après compaction. Au niveau du coût, il est estimé dans la littérature au même niveau que celui des tôles [LIU14]. D’ailleurs, dû au caractère modulaire des pièces en SMC, ces machines peuvent être plus facilement recyclées, une des contraintes qu’il faudra sans doute prendre en compte dans l’avenir pour la fabrication des actionneurs électriques.

Un des inconvénients du SMC est que les formes faisables des pièces sont limitées à cause du procédé de compaction. La réalisation des formes complexes comme une griffe peuvent entraîner une détérioration des propriétés magnétiques sur certaines zones de la pièce à cause de la faible masse volumique. Il existe également une limitation de taille des pièces. Les propriétés mécaniques du SMC sont inférieures à celles des tôles, ce qui peut empêcher leur utilisation dans les parties tournantes dépendant de leur vitesse.

En effet, si on substitue tout simplement les matériaux laminés d’une machine par du SMC, les performances sont détériorées. L’emploi du SMC demande donc une remise en question du design électromagnétique. Les propriétés du SMC recommandent son utilisation pour des machines avec des trajets de flux tridimensionnels et/ou avec des hautes fréquences de fonctionnement (nombre élevé de paires de pôles). C’est le cas des machines à griffes et des machines à flux transverse.

Les machines à griffes rentrent dans la catégorie des machines à fabrication facile avec bobinages globaux et pièces ferromagnétiques massives. Des machines avec rotor à griffes ont été présentées précédemment dans les sections dédiées à la double excitation (figure I.10 (a)) ou aux systèmes d’excitation statique (figure I.11 (a), (b), (c)). La figure I.13 recueille des structures à griffes au stator, plus concrètement des machines où le stator triphasé est

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fabriqué en SMC. Le stator est formé par trois ensembles monophasés décalés entre eux de 120° électriques constituant une machine multistack.

La référence [HUA07] présente une machine à très haute vitesse (30000 𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛). L’emploi du SMC permet de limiter des pertes à haute fréquence dans le stator. Une vue d’ensemble se trouve sur la figure I.13 (a). Dû à la forme complexe des griffes, [GUO09] analyse les performances d’un design réalisé avec une pression de compaction plus basse (à 180MPa), ce qui donne une masse volumique de 5800 𝑘𝑔/𝑚3. La figure I.13 (b) contient une image de la maquette. Les performances de son design sont détériorées de 20% par rapport à un cas avec une masse volumique élevée. [DEO15] s’intéresse à la réduction des ondulations de couple en introduisant un décalage entre les dents stator des deux ensembles des griffes d’un stack monophasé. La figure I.13 (c) montre la disposition conventionnelle et la disposition des griffes proposée dans l’article. Cette référence illustre aussi les problèmes liés à la fabrication des pièces en SMC car la perméabilité retrouvée du stator est environ 10 fois moindre que celle attendue.

(a) [HUA07] (b) [GUO09] (c) [DEO15]

Figure I.13. Machines polyphasées avec stator à griffes : (a) Stack d’une machine à haut vitesse [HUA07] (b) Stator à griffes à faible masse volumique [GUO09] (c) Stator conventionnel à griffes et

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Toutes les réalisations à griffes montrées précédemment sont des machines à flux radial. Les réalisations à griffes à flux axial sont peu nombreuses dans la littérature. [LIU15] analyse une machine triphasée avec stator à griffes et un rotor avec des aimants en surface. Ses performances sont supérieures à la machine à flux transverse utilisée pour la comparaison. Une vue du stator est présentée sur la figure I.14 (a). [AND10] propose une machine monophasée avec un stator à griffes pour des applications de ventilation et de pompage (voir figure I.14 (b)). Le rotor est aussi à aimants en surface.

(a) [LIU15]

(b) [AND10]

Figure I.14: Machines à griffes à flux axial : (a) [LIU15] (b) [AND10]

Les machines à flux transverse se prêtent également à l’utilisation des matériaux en SMC, dû au caractère tridimensionnel des lignes de champ. Leur principe de fonctionnement est le même que celui des machines à griffes. La figure I.15 montre les trajets de flux d’une machine à flux transverse avec rotor extérieur et la maquette correspondante [WAS12].

(a) (b)

Figure I.15. Machine à flux transverse avec rotor extérieur [WAS12] : (a) Principe de fonctionnement (b) Maquette

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Pour finir ce paragraphe sur le SMC, nous citerons deux derniers exemples d’utilisation. Ils exploitent les possibilités offertes par le SMC pour des machines classiques :

 [HEN12] présente un actionneur dont le stator en SMC combine les avantages d’un stator conventionnel et d’un stator à griffes. Cette structure avec son bobinage simple est facile à fabriquer et permet le recyclage des matériaux. Le stator est présenté sur la figure I.16 (a).

 [JAC00] propose la réalisation des dents d’un actionneur à flux radial en SMC. Ceci permet d’avoir une construction modulaire de la dent avec des bords arrondis, l’utilisation des bobinages préparés à l’avance avec un meilleur taux de remplissage, et une réduction de l’excursion des têtes de bobine (voir figure I.16 (b)). Une autre utilisation courante du SMC se situe dans les dents des machines à flux axial [HOG2]. Dans ce cas, la mise en œuvre des dents en SMC est plus simple qu’avec des tôles feuilletées.

(a) [HEN12]

(b) [JAC00] Figure I.16. Autres réalisations en SMC : (a) Stator d’un actionneur en SMC [HEN12]

(b) Dent modulaire en SMC et bobinage préfabriqué [JAC00]

Nous consacrerons le chapitre IV à l’étude d’un concept de machine à griffes à flux axial pour l’alternateur principal. Elle possède un rotor avec un bobinage global et des griffes en SMC.

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