Étude et dimensionnement de machine à flux axial pour le véhicule hybride électrique

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Étude et dimensionnement de machine à flux axial pour le véhicule hybride électrique

Thomas Boussey

To cite this version:

Thomas Boussey. Étude et dimensionnement de machine à flux axial pour le véhicule hybride élec- trique. Energie électrique. Université Grenoble Alpes, 2018. Français. �NNT : 2018GREAT017�.

�tel-01867370�

THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE GRENOBLE ALPES

Spécialité : Génie Electrique

Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par

Thomas BOUSSEY

Thèse dirigée par Afef KEDOUS-LEBOUC, et

codirigée par Laurent GERBAUD et Lauric GARBUIO

préparée au sein du Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab)

dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique et Traitement du Signal (EEATS)

Etude et dimensionnement de machine à flux axial pour le véhicule hybride électrique

Thèse soutenue publiquement le 12 mars 2018, devant le jury composé de :

Mme. Souad HARMAND

Professeur à l’Université de Valenciennes, Président de jury M. Georges BARAKAT

Professeur à l’Université du Havre, Rapporteur M. Frédéric GILLON

Maître de conférences à l’Ecole Centrale de Lille, Rapporteur M. Jean-Claude MIPO

Ingénieur Senior Expert Valeo, Examinateur Mme. Afef KEDOUS-LEBOUC

Directrice de recherche au G2Elab, Directrice de thèse M. Lauric GARBUIO

Maître de conférences à Grenoble-INP, Co-encadrant M. Laurent GERBAUD

Professeur à Grenoble-INP, Co-encadrant

Remerciements

Je souhaite, en premier lieu, remercier James ROUDET directeur du laboratoire G2Elab pou m’avoir accueilli dans ses locaux ainsi que l’entreprise VALEO pour m’avoir donné sa confiance afin de réaliser cette thèse. Je souhaiterais également remercier l’Agence Nationale Recherche Technologie pour l’appui financier qu’elle a accordé à ce projet.

Je voudrais ensuite remercier tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont montré à cette thèse. Je tiens à remercier Souad HARMAND pour avoir accepté de présider ce jury. Merci également à Georges BARAKAT et Frédéric GILLON, rapporteurs de cette thèse, pour leur examen profond et pertinent de mon travail. Leurs rapports m’ont grandement inspiré et m’ont permis d’aller plus loin dans la réflexion autour de ce travail.

J’exprime toute ma gratitude envers mon encadrement chez VALEO. Merci à Sophie PERSONNAZ, Philippe FARAH, Jean-Claude MIPO et Olivier SAVINOIS pour leur soutien et les conseils qu’ils m’ont donnés lors de nos réunions fréquentes et lors de mes visites à Créteil pour les séminaires et les diverses formations que j’ai pu suivre. Je souhaite également remercier les ingénieurs et le personnel de VALEO que j’ai rencontré pour leur aide technique mais aussi pour leur bienveillance quand ils m’ont accueilli : Clément SAINT-PIERRE pour la conception des plans mécaniques sous CATIA,.

Michel FAKES pour son aide sur FLUENT sans oublier Meriem AHMED, Bassel ASLAN, Rija ANDRIAMALALA, Jean-Marc DUBUS, Radu FRATILA, Radhouane KHLISSA, Jérôme LEGRANGER, Antoine TAN-KIM. Je suis très content de continuer avec Valeo pour la suite et je remercie Mouheb DHIFLI pour l’intérêt porté à mes travaux et à ma candidature. Je souhaite également bonne chance et bon courage aux doctorants de la Chaire DEMETER Adolfo, Amit, Pranshu et Ziwei.

Mes remerciements les plus sincères vont à mon encadrement de thèse au Laboratoire. Un énorme merci à Afef LEBOUC pour son soutien de tous les instants, sa bienveillance et ses conseils techniques et scientifiques, en particulier sur les matériaux magnétiques pour les machines. J’ai la plus grande estime pour toi, pour ton professionnalisme, ta force de volonté et ton humanité. Toute ma gratitude va aussi à Lauric GARBUIO. J’ai beaucoup appris auprès de Lauric tant scientifiquement que humainement. Merci à toi pour ton ouverture d’esprit, ta grande culture technique et scientifique.

Tu m’as ouvert les yeux sur de nombreux points sur lesquels je pensais avoir des certitudes. Enfin, je remercie infiniment Laurent GERBAUD pour son soutien et ses encouragements pour me lancer dans la thèse depuis l’école d’ingénieur. J’ai beaucoup apprécié nos conversations à la fois scientifiques et

« personnelles ». Sans toi Laurent je ne serai pas arrivé là aujourd’hui.

Je souhaiterais également remercier Daniel GOMEZ et Yoann QUEREL, les deux stagiaires de PFE qui m’ont accompagné sur les projets autour de la machine à commutation de flux et le refroidissement diphasique. Bon courage Yoann pour ta poursuite en thèse avec Valeo ! Merci également à François BLACHE, Claude BRUN et Sébastien FLURY pour leur aide précieuse sur la partie technique et expérimentations.

Je remercie également les chercheurs et enseignants-chercheurs du Laboratoire et en particulier Gérard MEUNIER, Brahim RAMDANE, Gilles CAUFFET, Christian CHILLET, Leticia GIMENO MONGE, Benoit DELINCHANT pour leurs conseils et le grand recul qu’ils ont sur l’expérience qu’est le doctorat. Je remercie également les personnes de l’administration, du service technique et Sylvie GARCIA pour le temps qu’ils m’ont accordé.

Je souhaiterais également remercier les personnes de Altair avec qui j’ai pu échanger pendant cette thèse au laboratoire, aux conférences Users et au support : Patrice LABIE, Sylvain PEREZ, Christophe GUERIN, Abdessemmed SOUALMI.

Merci également à Lalao HARIJAONA et Mathieu LE NY pour leur encadrement et leur accueil lors de mon stage de PFE à ELECTRICFIL et leurs encouragements pour me lancer dans la thèse.

Bien sûr je remercie tous mes collègues et amis que j’ai rencontrés au labo et dans la vie universitaire.

Un grand merci à Ahmed et Mahmoud. Vous m’avez été d’un soutien essentiel dans les moments un peu difficiles. J’ai pour vous deux la plus grande amitié et grande estime. Merci également à Olivier (notre super coach !!), Kalle, Alexander (ojalà nos encontremos en Pereira), Oussama, Guillaume, Geoffrey, Andres, Oualid, Lorena, Lyes, Egor, Clément, Farshid, Djoudi, Limin, Irina, Bertrand, Vincent, Jonathan, Kathleen, Kevin, Arnaud, Hakim, Quang, Vinh, Binh, Anh, Lucas, Wahid, Melissa, Baoling, Yousra, Rachelle, Clara, Florian, Nicolas M., Thiago, Stéphane, Gaetan, Davy, Leo, Mathias, Juliana, Mylène, Marie, Quentin S., Quentin D., Papiss, Mor, Murad, Abbass, Marc, Pedro, Simon, Loïc, Peter, Razmik, Tania & Nico, Yanis, Zié, Nicolas B. Merci à ceux avec qui j’ai passé de bons moments et que j’aurais oublié.

Un grand merci enfin à mes proches et amis. Merci à la famille JAOUHARI et à la famille MORATA.

Vous êtes comme une deuxième famille pour moi. Merci à Ismaël mon ami de toujours et à la famille DIME. Un très grand merci à Alba. Enfin merci à ma famille en France, en Europe et en Syrie. Merci infiniment à Salem et à mes parents pour tout ce qu’ils ont fait et font pour moi.

5

Table des matières

Remerciements ... 3

Introduction générale ... 11

1. Contexte de l’étude et analyse bibliographique ... 13

1.1 Le VEH dans le contexte de l’industriel ... 13

1.1.1 Défis technologiques posés à l’automobile ... 13

1.1.2 Le VEH, une solution d’amélioration des performances énergétiques ... 14

1.2 La chaîne de traction Mild-Hybrid et l’application Alterno-Démarreur Intégré ... 15

1.2.1 Les fonctions hybrides électriques ... 15

1.2.2 L’application Mild-Hybrid de type Alterno-Démarreur Intégré ... 16

1.3 La machine à flux axial ... 17

1.3.1 La machine à flux axial : définition topologique ... 18

1.3.2 Limites de la machine à flux axial ... 19

1.3.3 Atouts de la machine à flux axial ... 19

1.4 Typologie des MFA ... 22

1.4.1 MFA équipées de contacts glissants et d’une alimentation à courant continu ... 23

1.4.2 MFA synchrone à aimants permanents ... 25

1.4.3 MFA asynchrone ... 29

1.4.4 MFA à commutation de flux ... 30

1.4.5 Récapitulatif ... 33

1.5 Le cahier des charges ... 33

1.5.1 Contraintes dimensionnelles : encombrement, moment d’inertie ... 33

1.5.2 Performances en fonctionnement ... 34

1.5.3 Alimentation électrique de la machine ... 36

1.5.4 Matériaux magnétiques ... 36

1.5.5 Conducteurs et bobinage ... 40

1.5.6 Carter et système de refroidissement ... 40

1.5.7 Défauts et mesure de sécurité ... 41

1.6 Objectifs de l’étude de dimensionnement ... 41

6

1.6.1 Machine cible ... 41

1.6.2 Comparatif entre les cahiers des charges ... 41

1.7 Conclusion ... 43

2. Etudes de structures et de bobinage ... 45

2.1 Choix de la topologie de la MFA-SAP ... 45

2.2 Etude de structure et de bobinage pour la MSAP ... 49

2.2.1 Combinaison (Nenc, 2p) ... 49

2.2.2 Le pas q ... 49

2.2.3 Périodicité structurelle ... 50

2.2.4 Structure à pas entier versus structure à pas fractionnaire ... 50

2.2.5 Choix de la combinaison ... 52

2.2.6 Bobinage sur dent double-couche pour la MFA-SAP ... 52

2.2.7 Examen de structure à pas fractionnaire bobinée sur dent ... 54

2.3 Etude de structure et de bobinage pour la MCF ... 63

2.3.1 Examen de structures de MCF ... 64

2.3.2 Choix du nombre de dents rotoriques en fonction du nombre de dents statoriques ... 68

2.4 Conclusion ... 73

3. Méthodologie de dimensionnement ... 75

3.1 Contraintes et hypothèses de la démarche ... 75

3.1.1 Contraintes de dimensionnement ... 75

3.1.2 Hypothèses de modélisation ... 75

3.2 Modèles pour l’analyse et le dimensionnement ... 76

3.2.1 Modèles analytiques ... 76

3.2.2 Modèles numériques EF ... 78

3.2.3 Surfaces de réponse obtenues par plan d’expériences ... 81

3.3 Notre approche de dimensionnement ... 82

3.3.1 Modélisation ... 83

3.3.2 Etude de sensibilité ... 86

3.3.3 Dimensionnement paramétrique ... 89

3.3.4 Amélioration de la solution trouvée par optimisation ... 90

3.4 Conclusion ... 91

7

4. Dimensionnement de la machine à flux axial synchrone à aimants permanents ... 93

4.1 Topologie des éléments de la machine ... 93

4.1.1 Topologie du rotor ... 93

4.1.2 Topologie du stator ... 95

4.2 Modélisation numérique ... 96

4.2.1 Symétrie et périodicité ... 96

4.2.2 Géométrie et maillage du modèle ... 97

4.2.3 Autres paramètres physiques ... 98

4.3 Etudes de sensibilités ... 99

4.3.1 Etude paramétrique ... 99

4.3.2 Etude de sensibilité par plans d’expériences ... 105

4.4 Dimensionnement paramétrique : premiers résultats ... 108

4.5 Etude approfondie du dimensionnement paramétrique ... 108

4.5.1 Epaulement au rotor au rayon interne ... 109

4.5.2 Dépassements des culasses rotoriques et statoriques ... 112

4.5.3 Etude du dimensionnement final obtenu ... 117

4.6 Conclusion ... 121

5. Etude thermique et refroidissement de la MFA-SAP ... 123

5.1 Généralités sur le refroidissement des machines électriques ... 123

5.1.1 Les buts d’une étude thermique ... 123

5.1.2 Siège des pertes et éléments critiques ... 124

5.1.3 Complexité de l’étude thermique et du refroidissement ... 124

5.1.4 Modes d’utilisation ... 124

5.1.5 Carter ouvert, carter fermé ... 125

5.2 Refroidissement des machines à flux axial ... 125

5.3 Typologie du refroidissement des machines électriques ... 126

5.3.1 Refroidissement par auto-ventilation ... 126

5.3.2 Refroidissement par circuit d’eau externe ... 128

5.3.3 Refroidissement direct monophasique ... 130

5.3.4 Refroidissement diphasique ... 132

5.4 Etude du refroidissement par boîte à eau de notre structure ... 135

5.4.1 Calcul de l’échauffement du fluide ... 135

8

5.4.2 Calcul des pertes de charge ... 136

5.4.3 Propositions de topologies de boîte à eau alternatives ... 142

5.4.4 Etude sous Fluent de l’ensemble machine et boîte à eau ... 144

5.5 Etude du refroidissement diphasique vapeur liquide ... 148

5.5.1 Motivations de l’étude ... 148

5.5.2 Expérimentation 1.0 ... 149

5.5.3 Expérimentation 2.0 ... 151

5.6 Conclusion ... 153

6. Vers le prototype réel… ... 155

6.1 Vue d’ensemble ... 155

6.2 Assemblage statorique ... 156

6.2.1 Bobinage, dents et encoches ... 157

6.2.2 Interconnexions et trous passe fils... 158

6.2.3 Frettage et résinage ... 159

6.3 Assemblage rotorique ... 160

6.3.1 Emplacement des aimants ... 160

6.3.2 Liaison disque rotorique-arbre ... 161

6.3.3 Roulements ... 161

6.4 Boîte à eau ... 161

6.4.1 Assemblage des carters ... 162

6.4.2 Muret interne ... 162

6.4.3 Entrées d’eau ... 162

6.5 Conclusion ... 163

7. Conclusion générale ... 165

8. Bibliographie ... 169

9. Annexes ... 177

9.1 Evolution du PPCM(Ns, 2p) et du nombre d’encoches par pôle et par phase q en fonction du nombre d’encoche et du nombre de paires de pôles ... 178

9.2 Etoiles des encoches (12,8) non périodique ... 179

9.3 Etoiles des encoches : combinaison basique et combinaison multiple ... 180

9.3.1 Loi ... 180

9.3.2 Preuve ... 180

9 9.4 Configurations de la structure (12,10), triphasée, double-couche, sur dents ... 183

9.4.1 Configuration 2-2 (6 secteurs d’ouverture angulaire π3) ... 183 9.4.2 Configuration 4-0 (3 secteurs d’ouverture angulaire 2π3) ... 184 9.4.3 Configuration 3-1 (3 secteurs d’ouverture angulaire π2, 3 secteurs d’ouverture angulaire π6) ... 185 9.4.4 Coefficients de bobinage des différentes configurations ... 186 9.5 Démonstration de la relation Pmax ≈ VDCIccperm ... 187 9.6 Relation entre le courant de court-circuit en régime permanent et le nombre de spires

189

Résumé ... 191 Abstract ... 191

10

11

Introduction générale

De nos jours, on assiste à une prise de conscience remarquable des défis environnementaux auxquels l’humanité toute entière doit faire face. En effet, les émissions des gaz à effet de serre sont directement rendues responsables du réchauffement climatique. Et les désastres naturels, économiques, démographiques et géopolitiques causés par ce dérèglement envahissent malheureusement notre actualité. A l’échelle des états, des citoyens et des industriels, de nombreuses initiatives sont tentées afin de freiner cette tendance regrettable et instaurer des politiques et des normes rigoureuses tendant à limiter l’émission des gaz à effet de serre.

A titre d’exemple, l’Union Européenne exige des constructeurs automobiles de développer de nouvelles technologies dont les émissions en CO2 ainsi que les nuisances sonores sont respectueux de l’environnement, de la qualité de l’air et des contraintes en termes de ressources énergétiques.

En réponse à ces challenges, les constructeurs automobiles mènent depuis deux décennies des travaux de recherche et développement visant à proposer des véhicules alternatifs aux véhicules traditionnels à combustion thermique amenés à ne plus être commercialisés par un pays comme la France à l’horizon de 2040.

Des programmes sont dédiés soit au développement des véhicules purement électriques soit à des solutions mixtes de type véhicule hybride où une combinaison intelligente des deux motorisations est embarquée. Concevoir, dimensionner et optimiser les machines électriques destinées à la motorisation de ces véhicules électriques et hybrides électriques, selon des cahiers des charges exigeants, devient alors un jalon important du développement de ces véhicules. C’est la raison pour laquelle les constructeurs s’attachent à chercher et trouver des structures de machines innovantes devant répondre au contexte toujours plus compétitif et exigeant en termes de délais et de coûts du marché automobile.

Ces travaux de thèse s’inscrivent donc naturellement dans ce contexte. Ils concernent l’étude et le dimensionnement de structures performantes de machines à flux axial dédiées au véhicule hybride électrique. Ils ont été réalisés en étroite collaboration entre l’équipementier automobile Valeo (site de Créteil) et le laboratoire G2Elab, dans le cadre d’une convention CIFRE.

Le premier chapitre décrira le contexte de l’étude en illustrant les défis technologiques posés à l’industrie automobile en mettant particulièrement en exergue la solution du véhicule hybride électrique pour répondre à ces problématiques. L’application précise que la machine dimensionnée devra satisfaire sera détaillée. Nous aborderons la définition de cette structure, ses atouts et ses limites puis nous dresserons une typologie des machines à flux axial existant dans la littérature. Ce tour d’horizon permettra de sélectionner deux structures que nous étudierons dans la suite des travaux à savoir la machine synchrone à aimants permanents et la machine à commutation de flux. Finalement, le cahier des charges du dimensionnement sera donné ainsi que les objectifs de cette étude de dimensionnement.

Le second chapitre se consacrera d’abord au choix d’une topologie de machine à flux axial synchrone à aimants permanents apte à répondre au cahier des charges. Ensuite, nous reviendrons sur la méthodologie d’étude de structure et de bobinage pour les machines synchrones à aimants permanents.

A ce titre, nous mettrons l’accent sur la distinction entre structure à pas fractionnaire et celle à pas entier, ainsi que sur les topologies à bobinage sur dent et double-couche. Nous poursuivrons en choisissant une méthode pour étudier ces structures. La deuxième partie de ce chapitre sera dévolue à

12 l’étude de structures et de bobinages pour la machine à commutation de flux. Nous appliquerons la méthode d’analyse de structure choisie à cette machine et nous reviendrons sur les conditions d’équilibre et de symétrie. Finalement, nous présenterons les critères de choix du nombre de dents rotoriques en fonction du nombre de dents statoriques grâce à une étude analytique.

Le troisième chapitre concernera la méthodologie de modélisation et de dimensionnement. Outre les contraintes et hypothèses de la démarche qui seront rappelées, nous dresserons un panorama des modèles qui existent pour l’analyse et le dimensionnement. Pour chaque modèle, les avantages et les inconvénients ainsi que les motivations pour leur choix seront donnés. Dans la suite de ce troisième chapitre, nous décrirons notre approche de dimensionnement en détaillant les modèles utilisés, l’étude de sensibilité et le dimensionnement paramétrique réalisés.

Dans le quatrième chapitre, nous ferons une application de la méthodologie décrite au chapitre 3 à travers le dimensionnement d’une machine à flux axial synchrone à aimants permanents. Le chapitre sera donc structuré autour des quatre étapes de cette méthodologie identifiées au chapitre précédent, à savoir : les choix topologiques, la modélisation par éléments finis basée sur le logiciel FLUX 3D, les études de sensibilité, et le dimensionnement paramétrique. En dernier lieu, nous présenterons l’étude d’approfondissement du dimensionnement qui a permis d’améliorer la structure finale et de mieux prédire son comportement.

Le cinquième chapitre est consacré à l’étude des caractéristiques thermiques de la machine synchrone à flux axial à aimants permanents et à la mise en place d’une stratégie de refroidissement appropriée.

Après avoir dressé un état des lieux de l’étude thermique pour les machines et des types de refroidissement qui existent, nous présenterons l’étude du refroidissement par boîte à eau réalisée et ses différentes alternatives envisageables. Notamment, nous explorerons la possibilité d’embarquer dans ce type de machine un dispositif de refroidissement diphasique dans le but d’atteindre plus d’efficacité en envisageant une pré-étude expérimentale.

Le sixième chapitre concernera la conception du prototype réel. Alors que ce prototype n’a pas pu être fabriqué dans le temps imparti à la thèse, nous donnerons les éléments clés de sa conception mécanique réalisée sous le logiciel CATIA. La machine issue de ce travail de thèse ainsi que les pièces nécessaires à en effectuer la future caractérisation électro-mécanique ont été assemblés grâce à cet outil de conception assistée par ordinateur (CAO) en veillant à ce que la structure complète demeure compatible avec l’esprit de prototypage, à savoir, une certaine facilité à être démontée et remontée un grand nombre de fois, au gré des améliorations, des besoins de mesure et des ajustements potentiels.

Finalement, une conclusion générale de ce travail sera formulée et nous donnerons nos perspectives à ce travail de thèse.

13

1. Contexte de l’étude et analyse bibliographique

Nous allons commencer par une étude bibliographique pour présenter le contexte du véhicule électrique hybride (VEH) du point de vue industriel et l’application qui est ciblée.

Ensuite, nous présenterons la machine électrique à flux axial ainsi qu’une typologie. Cette classification nous permettra de recentrer notre travail sur deux types de machines.

Finalement, nous examinerons le cahier des charges et nous expliciterons clairement les objectifs de la thèse.

1.1 Le VEH dans le contexte de l’industriel

1.1.1 Défis technologiques posés à l’automobile

Au vu des grands défis auxquels l’industrie automobile doit faire face, les experts du marché automobile s’entendaient, en 2016, pour dire que ce secteur connaitra dans les 4 à 5 prochaines années, une révolution technologique aussi profonde que celle de ces 50 dernières années (Beziat, 2016). Les alliances formées entre les groupes industriels et les investissements importants consacrés au développement de l’autonomie de conduite sont des révélateurs de cette tendance. La voiture plus autonome et plus partagée laisse entrevoir une utilisation complètement différente du véhicule, des promesses de sécurité routière améliorée et des perspectives de marché pour les industriels de l’automobile.

En plus du défi de la voiture autonome, le marché automobile se heurte à plusieurs autres challenges ardus du fait des délais courts et des contraintes de coûts sévères compte-tenu du fort niveau de compétitivité qui caractérise ce marché.

L’ajout de multiples capteurs et de calculateurs nécessaires au véhicule « sans les yeux, sans les mains » s’inscrit dans le contexte de l’électrification croissante du véhicule qui constitue un deuxième défi. Sont directement concernés par l’électrification du véhicule : les organes mécaniques ou hydrauliques remplacés par des actionneurs électriques (soupape, vanne…), les systèmes de sécurité passive (ABS, ESP), le confort à bord (climatisation, chauffage, ordinateur de bord…) et les systèmes d’aide à la conduite (GPS, direction assistée électrique, radar de recul pour le stationnement…).

De plus, l’augmentation très forte de la demande des pays émergents en véhicules, liée à une raréfaction globale des ressources en énergies fossiles et en matières premières, se traduit par des hausses importantes des cours du baril de pétrole et une incertitude liée à l’approvisionnement en certains matériaux critiques du véhicule, comme le cuivre et les terres rares.

Cependant, ce sont surtout les normes environnementales en émissions de C02 imposées par la Commission Européenne qui constituent le challenge le plus critique pour l’industrie automobile. Elles ont pour but de réduire les risques de réchauffement climatique, d’améliorer la qualité de l’air et la qualité sonore dans les villes tout en nous rendant moins dépendants des énergies fossiles.

14 1.1.2 Le VEH, une solution d’amélioration des performances énergétiques

D’un côté, les solutions d’améliorations des performances énergétiques sont un moyen de s’approcher des normes en émissions C02. Dans un premier temps, on distingue les efforts visant à rendre plus efficaces les organes classiques de la voiture (amélioration du coefficient de roulement pour les pneumatiques ou le downsizing et le downspeeding des moteurs à combustion interne). Ensuite, on a ceux visant à améliorer l’aérodynamisme de la voiture (aérodynamisme actif, disparition programmée des rétroviseurs). Le traitement post-catalytique des gaz d’échappement est également un moyen pour rendre le véhicule plus propre. Dans un second temps, les possibilités ouvertes par d’autres sources d’énergie que les énergies fossiles (comme par exemple les carburants alternatifs à faible teneur en carbone) sont une manière de réduire l’émission de gaz à effet de serre.

Le développement des automobiles hybrides électriques et tout électrique s’inscrit dans ces deux axes.

Celles-ci comprennent des organes de conversion électromécaniques plus efficaces énergétiquement et mettant en jeu l’énergie électrique qui est une source d’énergie alternative non polluante à l’utilisation.

Plus précisément, les motivations qui poussent l’industrie automobile à développer le véhicule hybride électrique et tout électrique sont nombreuses. Premièrement, ces véhicules permettraient de se rapprocher des objectifs en termes d’émissions C02 fixés par les normes environnementales et donc d’éviter de trop lourdes sanctions financières. Deuxièmement, le contexte fiscal, législatif et politique est globalement favorable à l’achat et à l’utilisation de véhicule électrique (VE) et de véhicule électrique hybride (VEH). Ceci se traduit par une augmentation des ventes de VE et VEH et un accroissement de la demande. En effet, nombreux sont les exemples de normes et d’incitations poussant dans ce sens : sur-taxation des véhicules conventionnels en Norvège, bonus ou malus écologique, exonération fiscale sur la carte d’immatriculation à l’achat d’un véhicule à taux d’émission réduit, ou encore interdictions de circulations effectives lors des pics de pollutions (vignettes Crit’Air, circulation alternée) en France. D’un point de vue politique, la France vient d’annoncer son intention d’arrêter la vente de véhicule à moteur thermique d’ici à 2040 (Beziat, 2017).

L’Inde, elle, prévoit le remplacement intégral du parc automobile par le véhicule électrique à l’horizon 2030 (Monde, 2017). Ce contexte coïncide avec une prise de conscience par le consommateur des avantages supplémentaires d’opter pour ces véhicules technologiquement avancés, plus propres et moins bruyants. En dernier lieu, l’effort d’innovation porté aux VE et VEH est une condition sine qua none afin de rester dans la course technologique avec les autres constructeurs et de continuer à produire des automobiles à forte valeur ajoutée.

Outre les campagnes de publicités et les expositions dans les salons grand public, les industriels de l’automobile développent le VEH et le VE en investissant lourdement dans la R&D, que ce soit à l’échelle du composant (machine, batterie …) ou du système (chaîne de traction, véhicule), et en collaborant avec des laboratoires de recherche ou au sein d’instituts de recherche comme en atteste la récente création de l’institut VEDECOM (VEDECOM). Dans l’actualité économique, le constructeur suédois VOLVO a annoncé récemment que tous ses nouveaux modèles introduits sur le marché à partir de 2019 seront hybrides ou tout-électriques (Ewing, 2017). De plus, le constructeur de véhicule tout-électrique TESLA vient de lancer la vente de son premier modèle à prix abordable, le Model 3, destiné à être produit en masse (Guardian, 2017).

Les tendances des ventes actuelles montrent que le VEH se détache du VE en termes de ventes, confortant l’acheteur à se tourner plutôt vers cette technologie plus répandue et qui ne présente pas les inconvénients du VE. Ces derniers sont principalement les problèmes liés à la recharge (durée trop

15 longue et infrastructures insuffisantes) et à l’autonomie limitée. Néanmoins, le VEH est encore pénalisé par un coût nettement plus élevé par rapport à celui d’un véhicule conventionnel, raison majeure pour laquelle son développement est freiné. Afin de pouvoir déployer encore plus massivement cette technologie, les équipementiers et les constructeurs travaillent d’arrache-pied à réduire les surcoûts liés, naturellement, à la chaîne de traction électrique intégrée.

Cette thèse est effectuée dans le cadre d’une collaboration entre l’équipementier automobile Valeo et le laboratoire G2Elab. Elle porte sur le développement d’une machine électrique pour une application sur chaîne de traction de VEH que nous allons maintenant introduire.

1.2 La chaîne de traction Mild-Hybrid et l’application Alterno- Démarreur Intégré

1.2.1 Les fonctions hybrides électriques

La classification des chaînes de traction d’automobiles hybrides électriques repose le plus couramment sur les fonctions hybrides intégrées. On distingue traditionnellement les fonctions conventionnelles (alternateur, démarreur), des fonctions considérées comme hybrides que nous développons ci- dessous :

• Start & Stop : C’est un système de mise en veille du moteur thermique à l’arrêt du véhicule et de redémarrage automatique, souple, rapide (temps de réponse inférieur à 400 ms) et sans bruits du moteur thermique. Bien que ce système soit efficace essentiellement dans les usages urbains et pendant les embouteillages, il présente de forts atouts pour le conducteur et notamment une réduction de la consommation de carburant et a fortiori des émissions de C02 de 5 à 10 % sur un usage mixte et de 10 à 15 % en usage urbain. Ce système est désormais très répandu sur le marché automobile.

• Assistance de couple / « Boost » : Le moteur à combustion interne n’est pas efficace énergétiquement à hautes vitesses, à charge modérée et sur les dynamiques importantes. En particulier, sur ces régimes transitoires, les moteurs Diesel émettent davantage de particules d’oxydes d’azote (NOx). En assistant le moteur thermique sur ces plages, le moteur électrique peut rendre le véhicule moins polluant et améliorer le confort de conduite en palliant à la limite de réserve de couple induite par le downsizing et le downspeeding du moteur à combustion interne.

• Freinage récupératif / « Regen » : Le but est de récupérer l’énergie cinétique du véhicule pendant les phases de freinage et de décélération, sous forme électrique, en renvoyant l’énergie dans la ligne d’alimentation puis dans la batterie. Afin de donner à la pédale de frein un taux d’effort identique pour tout état de charge de la batterie, la Renault Zoé dispose d’un système de découplage de freinage. Ceci évite les arrêts brutaux et l’inconsistance imprévisible de la pédale.

• Mode tout électrique : La motorisation électrique est capable d’assurer entièrement la propulsion du véhicule sur certains modes de fonctionnement du véhicule.

16 1.2.2 L’application Mild-Hybrid de type Alterno-Démarreur Intégré

La catégorisation porte alors sur les fonctions assurées par l’ensemble de la chaîne (système de stockage, convertisseur électronique, machine électrique, et transmission mécanique). Ces fonctions étant associées généralement à un taux d’hybridation croissant, on distingue les catégories Micro- Hybrid, Mild-Hybrid, et Full-Hybrid (cf. tableau 1).

Tableau 1. Catégories de VEH (Collet, 2016),(Crolla, 2015).

Niveau d’hybridation

Micro-Hybrid Mild-Hybrid Full-Hybrid

Schéma d’une architecture courante

Fonctions hybrides

Alterno-Démarreur Alterno-Démarreur Alterno-Démarreur

Stop-Start Stop-Start Stop-Start

Assistance de couple Assistance de couple Freinage récupératif Freinage récupératif

Mode tout électrique Réduction des

émissions C0₂ par rapport au veh. conv.

5-10% 10-15 % 20-30%

Puissance électrique embarquée

2 kW 10-15 kW 20 kW-40 kW

Exemples d’applications

Alterno-Démarreur Séparé (StARS, Valeo)

ADI (Chevrolet Silverado, Honda IMA)

Toyota Prius

L'hybridation étudiée dans ce travail de thèse est Mild-Hybrid. Pour son application courante sur les grandes berlines et les SUV (Sport Utility Vehicle), elle représente une solution économique à l’achat, en permettant d’unifier l’alternateur et le démarreur. En outre, elle présente de nombreux avantages par rapport aux niveaux d’hybridation supérieurs. En effet, le Full-Hybrid requiert des chaînes de traction volumineuses équipées de pack batteries onéreux ainsi qu’une refonte significative de l’architecture de la chaîne de traction, donc des surcoûts de développement et de production importants. L’hybridation douce Mild-Hybrid représente donc un intermédiaire moins coûteux en temps et en argent que le Full Hybrid.

Du point de vue de la machine, le système précis qui fera l’objet de notre étude est l’Alterno Démarreur Intégré (ADI)¹. A la différence de l’alterno

un système poulies-courroies, l’ADI est lié directement au vilebrequin du moteur thermique d’un côté et à la transmission mécanique de l’autre (cf.

courroies, l’ADI permet d’éviter un embrayage supplémentaire et le convertisseur de couple pour les boîtes automatiques (Ehsani, et al., 2005)

Figure 1. Schéma de principe d’a

outre, d’un moteur thermique et d’une bo

La machine faisant office d’ADI se doit d’afficher un encombrement axial réduit du

Ainsi, la géométrie globale de la machine est plutôt de type disque que cylindrique pour ce type d’application. Comme toute application hybride électrique, la puissance volumique et le couple volumique sont des critères de choix import

de forts couples (entre 150 et 250 Nm) sur des régimes de sur

développer des puissances transitoires allant jusqu’à 50 kW et fonctionner jusqu’à des vitesse 6000 à 7000 tr.min^-1.

Cette machine étant destinée à l’automobile, elle est donc soumise aux contraintes de coût acceptables et de fabrication pour grande série de ce domaine. Nous serons donc attentifs à l’aspect innovant de la machine conçue qui doit être étudié afin de faciliter son positionnement sur le marché automobile toujours plus compétitif.

1.3 La machine à flux axial

Dans cette sous-partie, nous présentons une définition topologique de la machine à flux axial en comparaison à la machine à flux r

exposerons les limites à la fois acquises du fait de l’historique de l’industrialisation de la machine électrique et inhérentes à la machine. Finalement, nous mettons l’accent sur les points f

machine disque suivant trois critères (compacité axiale, entrefer planaire et capacité de couple élevé) et ceci en regard avec la machine à flux radial.

1 Suivant les références, on peut trouver les n

Starter Generator (ISG), Integrated Starter Alternator (ISA) ou encore Integrated Motor Assist (IMA) pour les machines Honda.

Du point de vue de la machine, le système précis qui fera l’objet de notre étude est l’Alterno . A la différence de l’alterno-démarreur séparé relié au moteur thermique par courroies, l’ADI est lié directement au vilebrequin du moteur thermique d’un côté et à la transmission mécanique de l’autre (cf. Figure 1). En plus de la suppression des poulies courroies, l’ADI permet d’éviter un embrayage supplémentaire et le convertisseur de couple pour les

(Ehsani, et al., 2005).

Schéma de principe d’alterno-démarreur intégré dans une chaîne de traction composée, en outre, d’un moteur thermique et d’une boîte de vitesses.

La machine faisant office d’ADI se doit d’afficher un encombrement axial réduit du

Ainsi, la géométrie globale de la machine est plutôt de type disque que cylindrique pour ce type d’application. Comme toute application hybride électrique, la puissance volumique et le couple volumique sont des critères de choix importants. En particulier, ces machines doivent souvent fournir de forts couples (entre 150 et 250 Nm) sur des régimes de sur-couple à durée limitée, être capables de développer des puissances transitoires allant jusqu’à 50 kW et fonctionner jusqu’à des vitesse

Cette machine étant destinée à l’automobile, elle est donc soumise aux contraintes de coût acceptables et de fabrication pour grande série de ce domaine. Nous serons donc attentifs à l’aspect innovant de la t être étudié afin de faciliter son positionnement sur le marché automobile

La machine à flux axial

partie, nous présentons une définition topologique de la machine à flux axial en comparaison à la machine à flux radial qui est la plus connue et la plus étudiée. Ensuite, nous exposerons les limites à la fois acquises du fait de l’historique de l’industrialisation de la machine électrique et inhérentes à la machine. Finalement, nous mettons l’accent sur les points f

machine disque suivant trois critères (compacité axiale, entrefer planaire et capacité de couple élevé) et ceci en regard avec la machine à flux radial.

Suivant les références, on peut trouver les noms anglais Crankshaft Mounted Generator (CMG), Integrated Starter Generator (ISG), Integrated Starter Alternator (ISA) ou encore Integrated Motor Assist (IMA) pour les

17 Du point de vue de la machine, le système précis qui fera l’objet de notre étude est l’Alterno-

séparé relié au moteur thermique par courroies, l’ADI est lié directement au vilebrequin du moteur thermique d’un côté ). En plus de la suppression des poulies- courroies, l’ADI permet d’éviter un embrayage supplémentaire et le convertisseur de couple pour les

dans une chaîne de traction composée, en La machine faisant office d’ADI se doit d’afficher un encombrement axial réduit du fait de sa position.

Ainsi, la géométrie globale de la machine est plutôt de type disque que cylindrique pour ce type d’application. Comme toute application hybride électrique, la puissance volumique et le couple ants. En particulier, ces machines doivent souvent fournir couple à durée limitée, être capables de développer des puissances transitoires allant jusqu’à 50 kW et fonctionner jusqu’à des vitesses de

Cette machine étant destinée à l’automobile, elle est donc soumise aux contraintes de coût acceptables et de fabrication pour grande série de ce domaine. Nous serons donc attentifs à l’aspect innovant de la t être étudié afin de faciliter son positionnement sur le marché automobile

partie, nous présentons une définition topologique de la machine à flux axial en adial qui est la plus connue et la plus étudiée. Ensuite, nous exposerons les limites à la fois acquises du fait de l’historique de l’industrialisation de la machine électrique et inhérentes à la machine. Finalement, nous mettons l’accent sur les points forts de la machine disque suivant trois critères (compacité axiale, entrefer planaire et capacité de couple élevé)

oms anglais Crankshaft Mounted Generator (CMG), Integrated Starter Generator (ISG), Integrated Starter Alternator (ISA) ou encore Integrated Motor Assist (IMA) pour les

1.3.1 La machine à flux axial

Contrairement à la machine à flux radial (M

(MFA) a un flux magnétique d’entrefer parallèle à l’axe de rotation de la machine (cf.

est dû à un agencement différent des sources de champs magnétiques dans la machine (bobines, dents, aimants). Pour la MFR, ces éléments sont disposés sur les surfaces radiales, internes ou externes des cylindres stator et rotor qui sont souvent allongés axia

contrario, dans le cas des MFA, ils sont disposés sur les surfaces frontales de ces cylindres qui deviennent naturellement des disques conférant à la machine sa topologie discoïde

MFR (a)

MFA (c)

Figure 2. Topologie des éléments stator et rotor pour des machines à aimants au rotor et direction de l’induction dans la machine. (a) et (b)

Le gabarit global de la MFR a en général une forme plus «

une longueur axiale plus importante et un diamètre plus court. Cela est à nuancer avec la MFR

2 Un parallèle peut être également fait entre la MFA et la machine liné

qu’une machine linéaire repliée autour d’un axe perpendiculaire à sa direction de translation. Une animation, consultable sous le lien suivant, reprend cette idée

axial : définition topologique

Contrairement à la machine à flux radial (MFR) qui est la plus conventionnelle, la machine à flux axial (MFA) a un flux magnétique d’entrefer parallèle à l’axe de rotation de la machine (cf.

t dû à un agencement différent des sources de champs magnétiques dans la machine (bobines, dents, aimants). Pour la MFR, ces éléments sont disposés sur les surfaces radiales, internes ou externes des cylindres stator et rotor qui sont souvent allongés axialement pour augmenter le volume d’entrefer. A contrario, dans le cas des MFA, ils sont disposés sur les surfaces frontales de ces cylindres qui deviennent naturellement des disques conférant à la machine sa topologie discoïde

(a) (b)

(c) (d)

Topologie des éléments stator et rotor pour des machines à aimants au rotor et direction de l’induction dans la machine. (a) et (b) pour une MFR, (c) et (d) pour une MFA.

Le gabarit global de la MFR a en général une forme plus « cylindrique » que celui de

une longueur axiale plus importante et un diamètre plus court. Cela est à nuancer avec la MFR

Un parallèle peut être également fait entre la MFA et la machine linéaire : la MFA ne serait ni plus ni moins qu’une machine linéaire repliée autour d’un axe perpendiculaire à sa direction de translation. Une animation, consultable sous le lien suivant, reprend cette idée : https://www.youtube.com/watch?v=_j4fMLUQsO0

18 FR) qui est la plus conventionnelle, la machine à flux axial (MFA) a un flux magnétique d’entrefer parallèle à l’axe de rotation de la machine (cf. Figure 2). Cela t dû à un agencement différent des sources de champs magnétiques dans la machine (bobines, dents, aimants). Pour la MFR, ces éléments sont disposés sur les surfaces radiales, internes ou externes des lement pour augmenter le volume d’entrefer. A contrario, dans le cas des MFA, ils sont disposés sur les surfaces frontales de ces cylindres qui deviennent naturellement des disques conférant à la machine sa topologie discoïde² (cf. Figure 2).

Topologie des éléments stator et rotor pour des machines à aimants au rotor et direction de pour une MFA.

» que celui de la MFA, à savoir une longueur axiale plus importante et un diamètre plus court. Cela est à nuancer avec la MFR

: la MFA ne serait ni plus ni moins qu’une machine linéaire repliée autour d’un axe perpendiculaire à sa direction de translation. Une animation,

https://www.youtube.com/watch?v=_j4fMLUQsO0

19 annulaire³ étudiée à titre comparatif dans nos travaux et qui, malgré sa topologie cylindrique de MFR, présente une géométrie globale de type discoïde. Il faut aussi noter qu’il existe des topologies de MFA dites « multidisques » où l’empilement d’un grand nombre de disques peut amener au final à un gabarit de forme cylindrique. Cette dernière catégorie de machines comportant plus que deux entrefers ne sera pas considérée dans notre étude. En effet, dès le début de ces travaux de thèse, nous avons été motivés par la mise en place de topologies compactes axialement.

1.3.2 Limites de la machine à flux axial

Bien que la MFA soit apparue en même temps que les machines électriques historiques (comme en témoignent la roue de Barlow ou encore le moteur à flux axial de N. Tesla de 1889 au moment du passage à l’ère industrielle), la MFA n’a pas connu le même essor que la MFR. Sa plus faible présence au niveau industriel ainsi que son image de machine coûteuse et complexe pour l’utilisateur, sont des symptômes de ce retard qui font qu’elle est en retrait, même pour les applications de faible et moyenne puissance où on cherche de la compacité axiale.

Plusieurs limites inhérentes à la MFA peuvent venir expliquer cette différence par rapport à la MFR.

Premièrement, au niveau de l’étude électromagnétique, les chemins de flux 3D, pour la MFA, sont plus difficiles à appréhender et ils justifient donc des études de modélisation et de simulation plus complexes. Ensuite, la fabrication de certains éléments rendue simple pour la MFR (comme l’empilement de stacks pour la réalisation de tôles feuilletées) est nettement moins évidente pour la MFA où il faut faire appel à de nouveaux procédés de fabrication à circuit magnétique (CM) équivalent, voire utiliser d’autres types de CM isotropes constitués de matériaux magnétiques innovants. Le montage et l’assemblage des disques de la MFA est une limite importante à son développement. En effet, il reste, au montage, des efforts d’attractions importants entre rotor et stator, d’où la difficulté de maintenir un entrefer constant. Toujours, d’un point de vue mécanique, la liaison arbre-disque(s) rotorique(s), si elle n’est pas bien gérée, peut entrainer des cassures et les efforts axiaux peuvent générer des vibrations, voire des déformations lors du fonctionnement de la machine.

Enfin, la MFA pâtit de son retard dans le sens où elle reste une technologie moins connue et moins mature que la MFR. Cette dernière a bénéficié en effet d’un process de fabrication bien maitrisé par les constructeurs. La nécessité d’investir dans de nouveaux équipements de production de masse spéciaux pour cette topologie de machine est également un élément dissuasif pour les industriels.

1.3.3 Atouts de la machine à flux axial

A partir des années 1970 – 1980, avec l’apparition de nouveaux matériaux magnétiques durs et principalement les terres rares SmCo et NdFeB, il y a un regain d’intérêt pour la MFA (Lebouc, 1984) (Chillet, 1988). Ces nouveaux matériaux, à plus grande densité d’énergie, permettent de diminuer les contraintes sur l’assemblage en augmentant les entrefers critiques de la machine. Ainsi, ils permettent à nouveau de considérer la MFA avec ses avantages par rapport à la MFR :

• La MFA a une compacité axiale lui permettant de s’intégrer dans des encombrements axiaux réduits. Un exemple illustrant cet aspect est la MFA synchrone à aimants

3 Une machine à flux radial peut être considérée comme annulaire à partir du moment où son rapport longueur sur diamètre de fer est inférieur à 0,4.

20 permanent NdFeB Kone Eco Disc pour ascenseur dépourvu d’une salle des machines Kone MonoSpace (Figure 3, Tableau 2). Les moteurs à flux axial de la gamme EcoDisc MX 05-06-10 entrainent directement les câbles sans transmission mécanique et sont localisés dans un encombrement axial très réduit, entre la cabine et les murs de la cage d’ascenseur

(a) (b)

Figure 3. (a) Vue d’ensemble de la solution d’ascenseur Kone MonoSpace sans salle des machines MFA Kone EcoDisc MX10, (b) Zoom sur la machine (Gieras, 2009).

Tableau 2. Performances et dimensions du moteur MFA Kone EcoDisc MX10

Puissance nominale 13,3 kW

Couple nominal 800 Nm

Couple d’accélération 1400 Nm

Dimensions totales (L, D, L/D) 280 mm ; 990 mm ; 0,28

Poids 370 kg

• La MFA a un entrefer planaire qui lui donne une surface de rotor aussi importante que celle du stator. Ceci lui permet de placer un nombre de paires de pôles élévé et donc d’augmenter la densité de couple et de puissance. Cet aspect est propice aux applications d’entraînement direct (forts couples, basses vitesses). Cette caractéristique de planéité de l’entrefer permet également une grande modularité et de nouvelles possibilités au niveau structurel avec les machines « multidisques », les topologies à armature sans fer, sans encoches ou encore à armature imprimée. Ces dernières, aussi appelées « printed armature winding », ne sont réalisables que pour les MFA et peuvent permettre d’utiliser la technologie avancée de routage de PCB utilisée en électronique.

L’entreprise Electricmood fabrique un moteur-roue à flux axial sans fer, à 2 rotors et 1 stator central en PCB pour trottinette électrique (Libault, 2015). La roue embarquant la machine et son alimentation batterie de 8 cellules de 34 V développe une puissance de 500 W pour 3,5 kg de poids total. Le rotor est de type Halbach avec aimants NdFeB (cf. Figure 4).

21

(a) (b)

Figure 4. MFA pour trottinette Electricmood (a) Stator PCB à gauche, (b) Rotor de type Halbach à droite (Electricmood)

• La MFA a enfin un grand diamètre. Ceci lui donne la possibilité de générer de forts couples, sans transmission mécanique, et d’avoir un pouvoir inertiel important. Cette caractéristique est mise à profit dans les applications batteries électromécaniques, comme sur l’exemple d’architecture hybride électrique série de (Gieras, et al., 2008)

Figure 5. Architecture hybride électrique série. (1) Moteur à combustion interne, (2) Génératrice, (3) MFA en batterie électromécanique, (4) Convertisseurs statiques, (5) Bus DC, (6) Moteurs roues(Gieras, et al.,

2008)

La MFA convient donc à la réalisation de tous les cahiers des charges où il y aurait nécessité d’avoir une forte compacité en longueur axiale, notamment des problèmes d’intégration. Un autre besoin qui peut justifier le choix d’une MFA est le besoin de fort couple, à basse vitesse, avec un fort pouvoir inertiel en supprimant la transmission mécanique.

Par conséquent, l’intérêt porté par les industriels du VEH comme VALEO pour l’étude de la MFA se justifie parfaitement dans le contexte du cahier des charges pour application Mild Hybrid-ADI défini par VALEO qui est exposé dans la partie 1.5 de ce chapitre.

22

1.4 Typologie des MFA

Maintenant que nous avons présenté l’objet d’étude de cette thèse qui est la machine à flux axial et l’application pour laquelle elle a été envisagée, nous allons dresser un tour d’horizon des différents types de MFA qui seraient recevables pour notre application.

Comme pour la MFR, les typologies de machine sont nombreuses. Nous retenons une typologie classique qui repose majoritairement sur la nature de l’excitation de la machine puisque tous les types qui se déclinent suivant cette classification sont transposables de la MFR à la MFA.

Nous utilisons la nomenclature suivante pour dénommer les machines :

• Par principe, on commence par préciser si la machine est à flux radial (MFR) ou à flux axial (MFA)

• La suite de l’acronyme porte sur le type de machine, notamment en fonction de l’origine de son flux rotorique. Ainsi, nous distinguons les familles suivantes :

o (M)CC pour une machine à courant continu

o (M)SRB pour une machine synchrone à rotor bobiné o (M)SDE pour une machine synchrone à double excitation o (M)SAP pour une machine synchrone à aimants permanents o (M)AS pour une machine asynchrone

o (M)CF pour une machine à commutation de flux

Nous commencerons par présenter les machines à flux axial qui requièrent un système de contacts glissants et/ou une alimentation à courant continu qui seront d’emblée écartées puisque ces éléments ne sont pas admis dans les spécifications données.

Ensuite, les MFA à aimants au rotor et qui sont actuellement les plus étudiées et les plus industrialisées seront examinées. Prédominante dans sa version MFR, cette machine sera évidemment au centre de notre attention. Son exposé permettra également de présenter les diverses topologies de MFA : simple entrefer, double-entrefer (1 stator / 2 rotors, 2 stator /1 rotor) et multidisques.

Ensuite, nous expliquerons en quoi la MFA asynchrone à cage (MFA-AS) et la MFA à commutation de flux (MFA-CF) sont des structures innovantes qui peuvent être retenues dans notre application.

Finalement, une étude comparative globale aboutira à la sélection de deux types de machine pour la suite de l’étude. Les différents types de machine sont examinés suivant les critères relatifs à l’application ADI précédemment expliquée. Nous regardons en particulier les éléments relatifs au type de machine indépendamment de sa topologie radiale ou axiale :

• le couple volumique

• la faculté de refroidissement

• le fonctionnement à puissance constante à haute vitesses.

Ensuite, nous étudions les avantages permis par le passage à la topologie axiale du type de machine en question. Précisément, nous nous intéressons à :

• la fabrication de la MFA

23

• son caractère innovant pour ce type.

Notons que la MFA à réluctance variable pâtit d’un couple volumique plus faible et d’ondulations de couple plus élevée que la machine synchrone à aimant permanent retenue de manière classique dans ce type d’application. Même si la machine à réluctance variable est utilisée pour la traction, elle n’est pas la candidate la mieux recevable ; cette dernière étant la machine à aimants (Zhu, et al., 2007). Nous ne la retiendrons pas pour cette application.

1.4.1 MFA équipées de contacts glissants et d’une alimentation à courant continu Les contacts glissants comme les systèmes bagues-balais et le commutateur mécanique réduisent la durée de vie des machines sur lesquels ils sont présents et induisent une nécessité de maintenance accrue de la machine. De plus, ils représentent un système supplémentaire qui ajoute du poids à l’entrainement électrique et prend une place non négligeable dans l’encombrement alloué à la machine, ce qui n’est pas admissible du point de vue de notre application.

1.4.1.1 MFA à courant continu (MFA-CC)

La machine à courant continu (MCC) possède un commutateur mécanique en plus des contacts glissants. Ceci en fait une machine avec une faible densité de couple, un mauvais rendement et une difficulté de refroidissement du rotor. Néanmoins, lorsque son inducteur statorique est pourvu d’aimants permanents, sa commande simple et son caractère peu coûteux quand elle est produite en grande série, font qu’elle reste fortement utilisée dans l’industrie automobile pour les applications de démarreur et alterno-démarreur (Demirjian, 2013). Dans le livre de Gieras sur les MFA à aimants (Gieras, et al., 2008), la MCC à aimants permanents (AP) est classée parmi les trois principaux types de MFA avec la MFA asynchrone et la MFA à aimants au rotor. Le seul exemple de MFA-CC que nous avons trouvé à ce jour est la machine Servalco 1 stator à AP en AlNiCo et à 1 rotor PCB de 12 W (0,02 Nm à 6000 tr.min^-1) pour un diamètre de 63 mm et une inertie rotorique de 12 g.cm^-2 présentée dans (Baudot, 1967) et à la Figure 6. Ceci montre que les MFA-CC pourront être utiles pour des applications servo-moteurs à faible inertie, mais ne correspondront pas à des applications de moyennes et hautes puissances telles que celles visées par notre application ADI pour lesquelles la MFR-CC a été abandonnée.

24 Figure 6. MCC à AP en AlNiCo, 1 stator et1 rotor Servalco (Baudot, 1967). (a) Stator à AP en surface, (b) Vue en coupe de la machine (1) rotor, (2) stator à AP, (3) balais et commutateur mécanique, (c) et

(d) Stator PCB (Gieras, et al., 2008) 1.4.1.2 MFA synchrone à rotor bobiné (MFA-SRB)

La machine à flux radial synchrone à rotor bobiné (MFR-SRB) est très présente dans le monde automobile avec sa topologie de rotor à griffes. En effet, la grande majorité des alternateurs automobiles conventionnels sont équipés de ces machines dont les avantages sont bien connus : simplicité et robustesse de la structure rotorique, particulièrement aux hautes vitesses.

La MFR-SRB avec sa roue polaire équipe les automobiles tout électriques du constructeur Renault (Zoé, Fluence, Kangoo), ce qui illustre sa capacité à être intégrée dans les chaînes de traction électrique.

En ce qui concerne sa topologie à flux axial, la MFA-SRB est très avantageuse du fait qu’elle ne possède pas d’aimants et donc pose moins de problème au montage des disques les uns avec les autres.

Quoiqu’il en soit, du fait qu’elle nécessite des contacts glissants et une alimentation à courant continu de surcroît à l’alimentation alternative, nous avons décidé que cette machine ne rentrerait pas dans le panel des structures admissibles pour notre étude.

1.4.1.3 MFA synchrone à double excitation (MFA-SDE)

Dans notre étude, la machine synchrone à double excitation est une machine qui associe une excitation à aimants permanents et une excitation à courant continu. La machine à flux radial synchrone à double excitation avec rotor bobiné a fait l’objet de nombreux travaux en vue de son application comme alterno-démarreur (Bruyère, 2009), (Gimeno, 2011), (Li, 2011). En effet, on peut la voir comme une synthèse des avantages de la machine synchrone à aimants permanent (MSAP) et de la MSRB. En revanche, lorsque son rotor est bobiné, elle présente le désavantage des contacts glissants et des pertes Joule au rotor.

Même s’il est possible de réaliser des MSDE avec la double excitation au stator et ainsi de se passer de contacts glissants (Mbayed, 2012), pour notre étude, la MFA-SDE est disqualifiée au même titre que la MFA-SRB du fait qu’elle nécessite une alimentation DC supplémentaire, (ce que l’on ne souhaite pas).

Ces machines qui se font le pendant de types de MFR très répandues dans l’industrie pourront gagner à être redécouvertes pour d’autres applications éventuellement dans l’industrie automobile.

25 Nous ne retenons pas non plus la machine asynchrone à rotor bobiné, car elle est munie de systèmes bagues balais et a été rendue complètement obsolète par l’apparition des variateurs de fréquence (Badin, 2013).

1.4.2 MFA synchrone à aimants permanents 1.4.2.1 La machine synchrone à aimants permanents

Dans cette catégorie, nous considérons la machine à flux axial à aimants permanent au rotor sans balais, communément appelée machine à aimants ou encore PM Brushless. Nous précisons également que nous porterons notre attention sur la machine synchrone à aimants permanent (MSAP) et non la machine Brushless DC qui, malgré son plus faible coût et son couple massique potentiellement plus fort que celui fourni par la MSAP, présente trop d’ondulations de couple et n’est pas recevable pour notre application qui reposent sur des formes d’onde sinus (cahier des charges de notre application).

La plupart des machines à aimants utilisées dans la traction électrique utilise des aimants à base de terres-rares dont la disponibilité et la variation fréquente de prix à la hausse sur le marché sont problématiques, voire, prohibitives.

Toutefois, ses avantages indiscutables comme l’absence de systèmes bagues-balais, de pertes Joule au rotor, la bonne densité de couple et un bon facteur de puissance en font encore une candidate de choix dans le domaine de la traction électrique.

Précisément, dans sa version annulaire, la MFR synchrone à aimants permanents (MFR-SAP) est déjà prédominante pour les applications ADI comme en atteste les machines des modèles Honda Insight, Civic 03 (cf. Tableau 3, Figure 7), et Accord.

Tableau 3. Caractéristiques et performances de la MFR annulaire de la Civic 03. (Legranger, 2009)

Type MFR-SAP annulaire en surface bob. concentré

Couple démarrage 108 Nm

Couple assistance 50 Nm

Puissance générateur (régime perm) 10 kW à 3000 rpm

Long. fer/totale 65 mm/ 70 mm

Diam. ext 250 mm

Poids 20 kg

Tension bus continu 144 V

Rapport L/D 0,28

Volume Machine 3,4 L

Couple volumique 31,4 Nm.L-1

Puissance volumique 2,9 kW.L-1

Couple massique 5,4 Nm.kg-1

Puissance massique 0,5 kW.kg-1

26 Figure 7. Vue en 3D présentant les différentes partie d’une MFR annulaire intégrée dans les véhicules

Civic 03 (Legranger, 2009)

La MFR annulaire qui représente la machine cible de notre étude, est également une MFR-SAP.

Comme pour la machine de la Toyota Prius, cette structure présente des aimants insérés en V. Nous examinerons plus loin dans le manuscrit les différentes topologies de rotor à aimants envisageables.

1.4.2.2 Applications et avantages de la MFA-SAP

La machine à flux axial synchrone à aimants permanents (MFA-SAP) est de loin la plus étudiée et la plus industrialisée des machines à flux axial. En plus des applications ascenseurs et moteurs roues pour véhicules transportables à assistance électriques (vélo électrique, trotinette électriques,

« hoverboards ») précédemment citées, les applications sont nombreuses : éolienne, micro-turbine à gaz (Figure 8), aérospatial, extraction pétrolière…

(a) (b)

Figure 8. Exemple d’applications de MFA-SAP (a) Eolienne Kestrel e400 3 kW 120 poles, (b) Micro- turbine à gaz Turbo Power Systems 100 kW 60 000 tr.min^-1 (Gieras, et al., 2008)

Une des pistes d’innovation actuelle en matière de machine à aimant est la conception de structures pouvant atteindre de très hautes vitesses (Zwyssig, et al., 2008). Soulignons que des travaux portant sur la MFA-SAP se sont intéressés à des applications de ce type. Dans (Edjtahed, et al., 2017), une machine 1 stator 1 rotor de 300 W et 60 000 tr.min^-1 comprenant un noyau en alliage amorphe et des aimants SmCo est dimensionnée. Dans (Neethu, et al., 2017), les auteurs présentent le dimensionnement d’une machine 1 stator 1 rotor avec bobinage toroïdal sans encoches affichant les performances de 100 W et 45 000 tr.min^-1. L’application cible l’enrichissement d’uranium par centrifugation.