Dimensionnement param´etrique d’une machine synchrone `a aimants permanents 

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Le v´ehicule ´electrique

Les premi`eres voitures ont et´ propuls´ees par des moteurs ´electriques d`es 1834 [19] (figure 1.8), mais elles ont rapidement et´ remplac´ees vers les ann´ees 1930 par des v´ehicules thermiques. En comparaison des carburants p´etroliers, les v´ehicules ´electriques avaient en effet une faible autonomie li´ee a` la faible densit´ d’´energie contenue dans les batteries. Ces v´ehicules sont des cependant v´ehicules propres du point de vue des rejets polluants.
Il faudrait n´eanmoins avant de conclure s’int´eresser a` la pollution globale (prenant en compte les ´etapes de conception, de fabrication et de mise a` la casse). Cependant, nous esp´erons que mˆeme en prenant en compte la pollution globale, le gain sera significatif par rapport aux v´ehicules thermiques. Ayons toutefois l’honnˆetet´ de signaler que si l’´energie primaire utilis´ee est le p´etrole, alors le rendement global d’une chaˆıne de traction ´electrique est plus faible que celui d’une chaˆıne de traction thermique [3]. Les figures 1.9 et 1.10 illustrent ce point.

Le v´ehicule ´electrique aliment´ par une batterie rechargeable

Dans ce syst`eme, la source d’´energie principale est une batterie. Les technologies de batteries sont multiples, cependant, seuls les quatre types de batteries suivants semblent avoir un avenir : les batteries plomb P bO2 − P b, Nickel-Cadmium Ni-Cd, Nickel Metal hydrure Ni-MH et Zebra [62]. Un des principaux probl`emes de ce type de v´ehicule r´eside dans son autonomie limit´ee (50 a` 80 km), li´ee a` son ´energie massique environ 200 fois plus faible que celle produite par les hydrocarbures.
De ce fait, les v´ehicules ´electriques sont uniquement adapt´es a` un environnement urbain. Les ventes de v´ehicules ´electriques (figure 1.12) restent donc d´erisoires devant le nombre total de v´ehicules vendus.
Concluons cette partie en notans que le coˆut d’achat d’un v´ehicule ´electrique est certes plus important qu’un v´ehicule thermique de la mˆeme cat´egorie, mais que son coˆut d’entretien (absence de vidange…) et de consomma-tion d’´electricit´ (25 kWh au 100 km pour une voiture ´electrique type Peugeot 106) l’est beaucoup moins. En cons´equence, le coˆut de fonctionnement global d’un v´ehicule ´electrique est moins elev´ que celui d’un v´ehicule thermique [1].

Le v´ehicule ´electrique aliment´ par une pile `a combustibles

Le fonctionnement des piles `a combustibles est bas´e sur la r´eaction inverse de l’´electrolyse de l’eau : en faisant r´eagir de l’oxyg`ene et de l’hydrog`ene, on r´ecup`ere de l’eau et du courant ´electrique aux bornes de deux ´electrodes.
Dans ce type de v´ehicule, la principale difficult´e consiste `a utiliser l’hydrog`ene pur et `a le stocker. Une autre solution, nomm´ee reformage, permet de stocker un produit facilement transformable qui en contient une grande quantit´e. L’hydrog`ene est donc fabriqu´e `a bord du v´ehicule dans un mini r´eacteur chimique.
Cette figure permet de se rendre compte que le v´ehicule `a pile `a combustibles n’est rien d’autre qu’un v´ehicule hybride s´erie o`u la source de carburant a et´ remplac´ee par une batterie `a hydrog`ene (c.f 1.1.2.2.1). Le principe de fonctionnement sera donc similaire, la batterie seconde la pile `a combustibles lors des phases d’acc´el´eration et de d´emarrage. Elle se recharge pendant les r´egimes de croisi`ere et les phase de d´ec´el´eration et de freinage.
Le v´ehicule `a pile `a combustibles se place comme le successeur du v´ehicule hybride pour les constructeurs japonais (les constructeurs europ´eens et surtout am´ericains ne semblent pas suivre cette voie). Ce projet n’a pas encore atteint sa maturit´e, mais il existe n´eanmoins des v´ehicules dot´es de cette technologie [49], comme la Honda Kiwami, la Toyota FCHV ou le concept-car Fine-N (autonomie annonc´e de 300 km). Grˆace aux qualit´es intrins`eques qu’il poss`ede en tant que v´ehicule ´electrique, son rendement energ´etique meilleur que les v´ehicules `a essence, et bien entendu, les ´emissions sonores et de rejets polluants sont consid´erablement affaiblis. De plus, la capacit´e massique de l’hydrog`ene est relativement importante par rapport `a une batterie au plomb (26,8 Ah/g contre 0,47 Ah/g), lui offrant une autonomie th´eorique tout `a fait acceptable (300 km). La dur´ee de vie des batteries `a hydrog`ene ne d´epasse toutefois pas la dizaine de milliers d’heures. Le coˆut des infrastructures `a mettre en place pour pouvoir utiliser ce type de v´ehicule dissuade actuellement les constructeurs europ´eens `a se lancer dans la fabrication en s´erie des v´ehicules `a pile `a combustibles. Pour pouvoir esp´erer avoir de r´eelles applications, le v´ehicule `a pile `a combustible devra avoir les mˆemes performances qu’un v´ehicule thermique en termes d’autonomie, de coˆut et de vitesse.

Les v´ehicules hybrides

L’ objectif des v´ehicules hybrides est d’associer les avantages des v´ehicules thermiques et des v´ehicules ´electriques (consommation, ´emission, agr´ement de conduite, autonomie …) sans les inconv´enients (coˆut, int´egration, presta-tions, …). Les v´ehicules hybrides permettent une am´elioration sur le plan energ´etique, c’est a` dire une baisse de consommation des carburants et donc une r´eduction des rejets polluants. En termes de consommation, on irait de 35,5 km/L pour la Prius II jusqu’`a 60 km/L pour la Daihatsu UFE-2 (tests internes) au 10-15 (test standard japo-nais qui simule une conduite en ville et sur route). Le domaine d’utilisation des v´ehicule hybrides s’´etendrait des v´ehicules particuliers jusqu’aux utilitaires en passant par les v´ehicules industriels. De ce point de vue, le v´ehicule hybride se place plutˆot comme le successeur des v´ehicules thermiques que comme un concurrent.
Il existe plusieurs architectures de v´ehicules hybrides. Celles-ci sont class´ees en fonction de la nature du point de jonction appel´ nœud. Le choix d’une architecture r´esulte d’un compromis entre la complexit´ m´ecanique, le coˆut de r´ealisation, la complexit´ de la commande et surtout de gain en terme de consommation (donc de rejets polluants). Les structures hybrides peuvent ˆetre nombreuses ([19],[25]), mais elles peuvent en tout cas se d´ecliner en deux grandes familles : les v´ehicules hybrides s´erie (la propulsion est ´electrique) et les v´ehicules hybrides parall`eles (la propulsion est ´electrique et thermique).
Il existe ´egalement pour la structure hybride parall`ele et ses variantes plusieurs niveaux d’hybridation [91]. Ces niveaux d’hybridation influent sur la puissance du moteur ´electrique. On peut compter trois niveau d’hybridation : faible (mini-hybride, qq kW pour la fonction Stop&Go), moyenne (mild-hybrid, la dizaine de kW pour assurer en plus un apport de puissance lors de br`eves acc´el´erations et r´ecup´erer l’´energie au freinage) et compl`ete (full-hybrid, plusieurs dizaines de kW, peuvent en plus fonctionner sans le moteur thermique).

Hybride s´erie

Dans cette architecture, la propulsion est int´egralement ´electrique (figure 1.14). Ce type d’architecture a equip´e des v´ehicules tels que les Renault Kangoo, les v´ehicules equip´es de Range Extender (PCA Berlingo Dynavolt par exemple) et les bus hybrides. On dit que le nœud est d’origine ´electrique. Il s’agit en fait d’un v´ehicule ´electrique associ´e a` un groupe ´electrog`ene (Moteur thermique et alternateur). Son alimentation est donc assur´ee par ce groupe ´electrog`ene et les batteries.
Le fonctionnement est alors le suivant : en ville, le moteur ´electrique est aliment´ par les batteries, ce qui permet un gain consid´erable en consommation sur les trajets urbains. En fonctionnement sub-urbain, le moteur thermique entraˆıne le moteur ´electrique via l’alternateur et recharge les batteries (pendant les phases de roue libre et de freinage). Ce moteur peut ˆetre a` essence, au diesel ou d’un autre type (exemple v´ehicule a` pile a` combustibles). L’autonomie est assur´ee par ce mode de fonctionnement. Les batteries peuvent fournir un surplus de puissance le cas ´echant (le crit`ere dimensionnant pour une batterie ´equipant un v´ehicule hybride est donc la puissance volumique et non plus la puissance massique dans le cas d’un v´ehicule ´electrique o`u la batterie fournit de l’´energie dans pratiquement tous les domaines de fonctionnement [62]) pour de fortes acc´el´erations, des d´epassements et les d´emarrage en cˆote. Le moteur thermique fonctionne alors sur la plage de r´egime o`u il maximise son rendement. La chaˆıne cin´ematique dans ce principe de fonctionnement est extrˆemement simple car il n’y a pas de liaison m´ecanique entre les motorisations thermiques et ´electriques d’entraˆınement. Le moteur ´electrique fonctionnant au d´emarrage, on ´elimine de plus les probl`emes li´es aux rejets de polluants lors du d´emarrage a` froid. Toutefois, a` cause de l’alternateur n´ecessaire pour faire la liaison entre le moteur thermique et le moteur ´electrique, le rendement de ces structures est g´en´eralement moins bon que celui des structures hybrides parall`eles. De plus, la puissance m´ecanique n’est pas directement utilis´ee, il est donc n´ecessaire de dimensionner le moteur ´electrique afin qu’il d´eveloppe toute la puissance requise pour assurer la traction du v´ehicule.

Hybride parall`ele

Pour cette structure, la propulsion est thermique et ´electrique (figure 1.15). le nœud est dit d’origine m´ecanique.
Les v´ehicules tels que la Honda Insight, la PCA Citro¨en Dynalto et la Ford P2000 utilisent cette architecture.
Le moteur thermique fonctionne seul en r´egime de croisi`ere et est assist´e par le moteur ´electrique pour tous les r´egimes de fonctionnement qui causeraient une forte ´emission de gaz polluants. L’utilisation en tout ´electrique en ville est rendue possible via la transmission m´ecanique qui autorise ou non le fonctionnement combin´e, qui d´ecide donc quel moteur est utilis´e pour la traction et quand l’´energie doit ˆetre accumul´ee dans les batteries afin de g´erer au mieux la consommation d’´energie globale du v´ehicule. Le moteur ´electrique fonctionne ´egalement a` basse vitesse (o`u le rendement du moteur thermique est mauvais) ou pour fournir de la puissance suppl´ementaire pour d´epasser ou franchir une cˆote. Les deux moteurs assurant la traction, on peut choisir aussi de les dimensionner pour la puissance globale et donc utiliser des moteurs de puissance plus faible. Le rendement d’un hybride parall`ele est donc g´en´eralement meilleur que celui d’un hybride s´erie. Parmi les avantages, on peut citer la transmission m´ecanique, qui autorise a` cette structure une grande souplesse dans les choix des points de fonctionnement. Cependant, la gestion des transmissions et la commande de tels dispositifs restent complexes. La structure est m´ecaniquement simple mais la pr´esence de la boˆıte de vitesses induit une perte de couple fourni aux roues.
A partir de ces deux structures simples, des structures plus evolu´ees combinant plus ou moins les deux ar-chitectures pr´ec´edentes on et´ elabor´ees. La figure 1.16 montre le sch´ema de principe d’une structure hybride s´erie-parall`ele qui a pour objectif d’associer les avantages des deux structures pr´ec´edentes.
Dans cette structure, on peut observer qu’il s’agit simplement (dans le principe en tout cas) d’une juxtaposition des deux structures propos´ees pr´ec´edemment. L’objectif ´etant d’allier les points forts des structures hybride s´erie et hybride parall`ele. La Toyota Prius (2`eme g´en´eration) est une voiture utilisant ce type de motorisation [91].
Les structures hybride parall`ele et hybride s´erie-parall`ele semblent ˆetre privil´egi´ees par les constructeurs en raison de leur coˆut ´economique (parall`ele) et de leurs performances (s´erie-parall`ele).

Conclusion sur les v´ehicules hybrides

Pr´esent´ees comme une solution viable `a moyen terme (notamment `a cause de l’utilisation du carburant), les v´ehicules hybrides tardent `a convaincre mais restent une alternative cr´edible par rapport aux v´ehicules diesels parce qu’ils sont ´economiques et propres `a l’usage. Les le¸cons du v´ehicule ´electrique ont et´ retenues et des efforts importants concernant le design sont faits pour promouvoir les v´ehicules hybrides. Ils ont des performances tout `a fait honorables si on les compare aux v´ehicules thermiques ´equivalents et en terme de consommation ou de rejets polluants (1,5 L au 100, moins de 120 g de CO2 au kilom`etre [75]). Ces voitures r´epondent tr`es largement aux normes EURO IV. De plus, les v´ehicules hybrides permettent ´egalement de r´eduire la pollution sonore [74].
Les hybrides restent cependant des v´ehicules assez chers [28], ce qui explique (entre autres) leurs difficult´es `a vraiment d´ecoller au niveau des ventes. Il s’est vendu 15 Toyota Prius en 2003 en France sur un total de 2 000 246 v´ehicules vendus [15] et l’on peut estimer `a environ 250 000 unit´es le nombre de v´ehicules hybrides vendus dans le monde [55]. Les points d´ecisifs permettant de doper les ventes de ces v´ehicules se trouvent ailleurs, comme dans le design ou les fonctionnalit´es additionnelles qui pourraient attirer les consommateurs. Il faudrait d’ailleurs ˆetre bien na¨ıf ou rˆeveur pour penser que l’aspect ´ecologique de ces v´ehicules pourra constituer un argument suffisant pour esp´erer les faire vendre ([28], [55]).
En terme de rejets de CO2 , les technologies hybrides ´electrique-essence ne sont pas vraiment plus efficaces par rapport aux mod`eles diesels [15] (104 g/km pour la Toyota Prius contre 117 g/km pour l’opel Astra). On constate que des efforts semblent ˆetre faits pour am´eliorer ces points [49]. Mˆeme si elles restent relativement ch`eres (il faut compter environ 25 000 =C pour la Toyota Prius, 21 600 =C pour la Civic IMA contre 19 700 =C environ pour la Civic diesel ES), les aides (cr´edit d’impˆot de l’ordre de 1 500 =C) ainsi que le coˆut de fonctionnement (primes d’assurance, entretien, consommation, pi`eces de rechange) les rendent moins ch`eres a` l’usage qu’un v´ehicule diesel de la mˆeme cat´egorie. Les v´ehicules hybrides restent la solution la plus mˆure pour r´eduire la consommation de carburants classiques. Les ´evolutions possibles a` moyen terme seraient les v´ehicules hybrides diesels-´electriques (il faudra toutefois notamment surmonter les difficult´es li´ees aux probl`emes des vibrations des moteurs diesels et au catalyseur), et a` plus long terme l’utilisation des piles a` combustibles.
Il faut noter que les constructeurs japonais ont une avance consid´erable dans ce domaine [49]. Les constructeurs fran¸cais font preuve pour l’instant un certain attentisme (mˆeme si des cellules de veille existent pour tenter de mettre en route des projets hybrides au cas o`u les ventes de ces v´ehicules d´ecollaient …), voire une grande frilosit´e en ce qui concerne ces sujets, `a cause notamment du prix associ´e `a ces technologies qu’ils estiment prohibitifs et `a leur doutes concernant la capacit´e de vente de ces v´ehicules.
Des sc´enarios (catastrophes ?) pr´evoient que l’augmentation du parc automobile (passant de 700 millions de v´ehicules en 2004 a` 1 200 millions en 2020) causerait une augmentation de temp´erature de 5˚C rien qu’en ne tenant compte que des ´emissions d’oxyde d’azote. Inutile de pr´eciser les effets qu’une telle augmentation aurait sur l’environnement. Le passage a` des v´ehicules moins polluants paraˆıt ˆetre plus que jamais une absolue n´ecessit´.

Les v´ehicules sp´ecifiques

Moteurs `a piston rotatif

Les constructeurs automobiles (principalement les constructeurs japonais) explorent d’autres voies comme les v´ehicules utilisant des moteur a` piston rotatif a` combustion d’hydrog`ene (Mazda) [49]. Ces moteurs ont pour inconv´enient d’avoir une consommation elev´ee et vont donc a` l’encontre des politiques actuelles qui consistent a` r´eduire la consommation des v´ehicules.

V´ehicules hybrides hydrauliques

Le premier v´ehicule hybride hydraulique a vu le jour aux Etats-Unis au premier trimestre 2004, pr´esent´ee par l’agence de la protection de l’environnement am´ericaine (EPA) et ses partenaires [29]. L’´energie fournie est emmagasin´ee en comprimant de l’azote par le biais d’un syst`eme hydraulique a` la place des batteries dans un v´ehicule hybride (´electrique). Ce syst`eme permet, tout comme les v´ehicules ´electriques, de r´ecup´erer l’´energie au freinage. Le moteur est maintenu `a un r´egime de fonctionnement stable, l`a o`u son rendement est optimal. La consommation de carburant serait r´eduite de 55 %. Ce v´ehicule se placerait comme un concurrent du v´ehicule ´electrique, en ´etant adapt´e surtout aux applications urbaines (Camions de livraison et autobus scolaires). Comme le v´ehicule ´electrique, le coˆut d’entretien et la consommation d’essence seraient fortement r´eduits et le prix de tels v´ehicules resterait tout `a fait raisonnable (600 $ de plus qu’un v´ehicule thermique de la mˆeme cat´egorie).
A terme, l’agence de protection de l’environnement am´ericaine (EPA), souhaiterait d´evelopper des v´ehicules enti`erement hydrauliques.

Conclusion sur les diff´erents v´ehicules envisag´es pour r´eduire les ´emissions de substances polluantes

Dans cette partie, nous avons pr´esent´ le probl`eme de la pollution atmosph´erique et les risques qu’elle fait courir a` l’´eco-syst`eme. Le rˆole de l’industrie du transport et plus particuli`erement celui des transports routiers dans l’augmentation de la pollution a et´ mis en lumi`ere et des solutions portant sur les moyens de d´eplacement permettant de r´eduire les rejets polluants des v´ehicules ont et´ pr´esent´ees. Parmi celles-ci le v´ehicule hybride semblerait ˆetre a` moyen terme une solution permettant de r´eduire efficacement la pollution globale en attendant les technologies a` pile a` combustibles. Dans la partie suivante, nous allons nous int´eresser a` la motorisation ´electrique des v´ehicules hybrides et ´electriques.

Les diff´erents types de motorisation ´electrique

Nous avons ´etabli dans la partie pr´ec´edente le gain que peuvent apporter les v´ehicules hybrides dans la r´eduction des ´emissions polluantes ainsi que de la consommation de carburants tout en permettant de remplir les attentes des particuliers. Nous nous int´eressons donc ici `a la motorisation de tels v´ehicules. Il ne s’agit pas ici de comparer les structures entre elles pour d´eterminer quelle est la meilleure, mais simplement de dresser un panorama de leurs avantages et de leurs inconv´enients dans le cadre tr`es particulier de la traction ´electrique et hybride.
Plusieurs moteurs peuvent ˆetre envisag´es pour remplir le cahier des charges impos´e par la traction hybride [66]. Ce dernier repose sur un certain nombre de contraintes (thermiques, m´ecaniques, encombrement, ´electriques) et de performances (´electro-m´ecaniques) exig´ees qui peuvent varier d’un v´ehicule a` l’autre. Cependant, le ca-hier des charges classique en termes de couple ´electromagn´etique requis et de puissance ´electrique disponible est g´en´eralement identique (figure 1.17). On observe une premi`ere zone o`u le couple est maintenu constant jusqu’`a une certaine vitesse, appel´ee vitesse de base, puis une seconde zone o`u la puissance est constante de la vitesse de base a` la vitesse limite.
Caract´eristique du couple en fonction de la vitesse Caract´eristique du flux et de la puissance en fonction de la vitesse [11]. On peut y voir dans quelles gammes de puissance on peut utiliser un type de machine donn´e. Pour la gamme de puissance concern´ee dans le cadre des applications v´ehicules hybrides (5 a` 50 kW), on observe que les machines pouvant ˆetre utilis´ees sont les machines a` courant continu (MCC), les machines asynchrones (MAS) et les machines synchrones (MS). Dans cette derni`ere cat´egorie, on peut distinguer les machines a` r´eluctance variable (MRV), les machines synchrones a` r´eluctance variable (MSRV), les machines synchrones a` aimants permanents (MSAP). Les machines synchrones a` rotor bobin´e (MSRB) sont r´eserv´ees a` des applications haute puissance (sup´erieures a` la centaine de kW) d’apr`es [11]. Elles ne seront donc pas evalu´ees dans le cadre de notre ´etude mais on peut succinctement donner leurs caract´eristiques g´en´erales dans la mesure o`u elles ont quand mˆeme equip´e des v´ehicules hybrides (Toyota Prius de 1`ere g´en´eration en 1997). Leur avantage principal r´eside dans la grande souplesse de fonctionnement li´ee a` la pr´esence de trois param`etres de contrˆole (courant d’excitation, amplitude et d´ephasage du courant d’induit). De ce fait, elles sont facilement d´efluxables et poss`edent un bon facteur de puissance (favorable pour le dimensionnement de son convertisseur associ´e). En revanche, la pr´esence de bagues au rotor requiert un entretien p´eriodique et le refroidissement de ces moteurs est rendu difficile a` cause des pertes Joule a` ´evacuer au rotor. De plus, elle n´ecessite un codeur de position et poss`ede g´en´eralement une puissance massique plus faible que celle des MSAP. Pour ces raisons, il est conseill´ de r´eserver les MSRB a` des applications o`u la puissance est plus elev´ee et o`u l’encombrement n’est pas une contrainte forte.
Le cycle MVEG sert a` caract´eriser les taux d’´emissions polluantes des v´ehicules circulant dans l’union eu-rop´eenne. Ce test est compos´e de 4 cycles urbains successifs avec de tr`es soudaines variations de vitesse suivi d’un cycle extra-urbain (figure 1.19.a). Cette consigne de vitesse est impos´ee a` un v´ehicule. Celui-ci doit fournir le couple n´ecessaire pour suivre le cycle MVEG. Ce couple d´epend de la masse du v´ehicule ainsi que d’autres param`etres comme l’a´erodynamisme. La courbe de couple (figure 1.19.b) fournie est donn´ee pour la Citro¨en Berlingo ´electrique [3].

Les machines `a courant continu (MCC)

On consid`ere dans cette section indiff´eremment les MCC a` rotor bobin´e ou a` aimants permanents. La figure 1.21 montre la structure de telles machines [39]. Elles ont constitu´ees les premi`eres motorisations de v´ehicules ´electriques en France (Peugeot 106 ´electrique). Si l’excitation est s´epar´ee, le couple peut ˆetre constant jusqu’`a une vitesse dite vitesse de base, puis variant de fa¸con hyperbolique pour des vitesses sup´erieures. Comme le montrait la figure 1.17, ce point est favorable pour les applications de type v´ehicule hybride. Le freinage par r´ecup´eration est rendu possible par la r´eversibilit´ des sources et des convertisseurs associ´es.
De par leur principe, elles sont bien adapt´ees au cahier des charges de type traction ´electrique. Compte tenu de leur anciennet´e, leur fonctionnement est bien maˆıtris´e. Fonctionnant a` courant continu, elles sont simples a` commander et a` asservir. De plus, le d´efluxage est tr`es simple a` r´ealiser dans le cas des machines a` rotor bobin´e.
Actuellement, en terme de couple et puissance volumique , elles sont cependant en retrait sur les machines a` courant alternatif (machine asynchrone, machine synchrone) a` cause du syst`eme balais-collecteur repr´esentant un volume suppl´ementaire. De plus, a` cause de sa constitution (usure du syst`eme balais-collecteur), elle n´ecessite un entretien p´eriodique. Dans ce type de structure enfin, l’induit est en rotation et le rotor est g´en´eralemement int´erieur. Le refroidissement de ces parties est donc relativement difficile. Ces diff´erents points limitent les performances et accroissent le volume et le coˆut de ces machines pour une application donn´ee.

Les machines synchrones `a aimants permanents

Elles entrent g´en´eralement dans la cat´egorie des machines synchrones `a rotor non passif [53] (ce n’est pas toujours le cas [44], on peut notamment penser aux machines `a commutation de flux). Le rotor est donc constitu´e d’aimants permanents. Les aimants les plus commun´ement utilis´es sont les NdFe B, les SmCo et les aimants ferrites. Les aimants ferrites sont moins performants que les aimants `a base de terres rares mais aussi nettement moins coˆuteux. Cet aspect est actuellement un crit`ere essentiel dans le choix des aimants ferrites pour des applications vari´ees.
Ces aimants conf`erent `a ces structures un couple et une puissance massique elev´es et de ce fait un rendement elev´e. De plus ces machines n’ont pas de rotors bobin´es, donc pas de contacts glissants et pas de pertes Joule au rotor.
Toutefois, la pr´esence de ces aimants apporte un coˆut suppl´ementaire et ceux-ci ont ´egalement des probl`emes de tenue en temp´erature. Enfin, il est n´ecessaire de faire un compromis entre la vitesse maximale de fonctionnement et le facteur de puissance [3].
Il existe plusieurs structures possibles de rotors. On s’en tiendra ici aux structures basiques. Les aimants peuvent ˆetre mont´es en surface, enterr´es ou `a concentration de flux (figure 1.26).

Aimants en surface

Les aimants sont dispos´es a` la p´eriph´erie du rotor (figure 1.26.a). La machine synchrone est alors dite a` pˆoles lisses car la perm´eabilit´ relative des aimants est proche de celle de l’air. Il n’y a donc pas de variation de r´eluctance du rotor vue du stator. Dans ces machines le couple de saillance est nul et le couple utile est donc le couple hybride (c.f. ´equation 1.2) Il est n´ecessaire d’avoir une frette pour maintenir les aimants (risque d’´ejection a` cause de la force centrifuge). Il en r´esulte une augmentation de l’entrefer et donc une diminution des performances [3]. De plus, le risque de d´emagn´etisation des aimants existe, mˆeme s’il est peu problable dans le cas d’aimants terres rares.

Les machines synchrones `a double excitation

L’utilisation d’aimants permanents augmente le rendement, les performances massiques et volumiques. Ce crit`ere nous a pouss´es a` choisir de d´evelopper une MSAP. Afin de limiter le coˆut de la solution choisie, nous avons opt´e pour des aimants ferrites et par cons´equent choisi une structure a` concentration de flux. Cependant, il subsiste des probl`emes pour le fonctionnement a` hautes vitesses. Il est possible de passer outre [79] mais alors il est n´ecessaire de faire un compromis entre la capacit´e de d´efluxage et le facteur de puissance. Toutefois, les probl`emes li´es a` la perte de contrˆole du convertisseur associ´e ou bien a` l’association de ces machines avec un convertisseur non commandable [87] ne sont toujours pas r´esolus [62]. Une solution peut ˆetre apport´ee en contrˆolant le flux cr´e´ par les aimants [43]. Il existe des solutions not´ees ici m´ecaniques ou l’on contrˆole le flux cr´ee par les aimants autorisant un flux de fuites plus ou moins important [61]. Une autre solution, dite ´electrique, consiste a` avoir deux sources diff´erentes pour cr´eer le flux d’excitation (un flux cr´e´ par des aimants et l’autre par des bobines d’excitation). On d´esigne ces machines par machines synchrones a` double excitation. De nombreuses structures ont et´ imagin´ees et pr´esent´ees ([24],[3],[2], [38]), nous nous contenterons de d´etailler quelques unes d’entre elles. Pour plus de d´etails, on pourra consulter [3] qui d´ecrit de fa¸con tr`es d´etaill´ee de nombreuses structures de MSDE.

Machines synchrones `a d´efluxage m´ecanique

Le principe consiste ajuster la position des cylindres magn´etiques a` l’aide d’actionneurs ´electriques pour per-mettre le passage d’un flux de fuites plus ou moins important dans les aimants. Sur le prototype propos´e, le flux d’excitation pouvait ˆetre r´eduit d’environ 30 % et le gain en vitesse limite ´etait de 2. De plus aux vitesses les plus elev´ees, le rendement ´etait am´elior´ de 10 points. L’ajout des actionneurs induit malheureusement un coˆut non n´egligeable sur la structure pr´esent´ee sans parler des probl`emes li´es a` la commande de tels capteurs ou de la construction d’une telle structure. On pourra se r´ef´erer a` [61] pour de plus amples d´etails.

Machines synchrones `a double excitation s´erie

Dans cette MSDE, on observe que le flux cr´e´ par les bobines traverse les aimants (figure 1.29). Sur cette figure, on constate que le flux cr´e´ par l’excitation bobin´ee s’oppose `a celui cr´e´ par l’aimant, mais il est bien ´evidemment possible d’avoir un flux additif `a la place du flux soustractif pr´esent´ ici.
Il s’agit d’une machine `a rotor bobin´e et `a pˆoles lisses. Elle poss`ede de nombreux avantages. En particulier, on peut voir sur la figure 1.29 que le flux cr´e´ par les aimants est compens´ par le flux issu de l’excitation bobin´ee sur l’ensemble du circuit magn´etique. Il en r´esulte une baisse de l’induction magn´etique globale et par l`a mˆeme une baisse des pertes fer. De plus, l’excitation bobin´ee est plac´ee ici au rotor, mais on peut envisager de la placer au stator pour ainsi supprimer les contacts glissants. L’adjonction de l’excitation bobin´ee n’a pas d’influence sur le niveau de flux fourni par les aimants seuls. Ce flux est le mˆeme en pr´esence ou en l’absence des bobines d’excitation. L’inconv´enient majeur des MSDE s´erie r´eside dans son principe : les aimants repr´esentent un entrefer important vis `a vis de l’excitation bobin´ee. En cons´equence, l’efficacit´e de cette derni`ere est fortement limit´ee, et pour obtenir un d´efluxage efficace, il est n´ecessaire de fournir beaucoup d’amp`eres tours, augmentant ainsi les pertes Joule au niveau de l’inducteur. De plus, l’excitation s´erie peut engendrer une d´emagn´etisation des aimants.

Machines synchrones `a double excitation parall`ele

On d´esigne par machines a` double excitation parall`ele les machines pour lesquelles le flux cr´e´ par les bobines d’excitation ne traverse pas les aimants. Les trajets de flux sont alors tridimensionnels [3]. Il n’y a pas de risques de d´esaimantation par l’excitation bobin´ee. La figure 1.31 montre un exemple de stator de MSDE parall`ele.
Il s’agit ici d’une machine `a bobinage r´eparti. Un des bobinages d’excitation se trouve au premier plan.
Cette double excitation parall`ele peut ˆetre unipolaire ou bipolaire. Nous pr´esentons ces deux types de double excitation dans les paragraphes suivants.

Table des matières

I Etude et dimensionnement param´etrique de machine synchrones 
1 Les machines synchrones `a double excitation destin´ees au v´ehicule hybride 
1.1 Pollution et Transport
1.1.1 Pollution
1.1.2 Perspectives
1.1.3 Conclusion sur les diff´erents v´ehicules envisag´es pour r´eduire les ´emissions de substances polluantes
1.2 Les diff´erents types de motorisation ´electrique
1.2.1 Les machines `a courant continu (MCC)
1.2.2 Les machines asynchrones
1.2.3 Les machines synchrones
1.2.4 Conclusion
1.3 Conclusion sur la motorisation des v´ehicules hybrides
2 Dimensionnement param´etrique d’une machine synchrone `a aimants permanents 
2.1 G´eom´etrie initiale
2.1.1 Choix de la structure initiale
2.1.2 Caract´eristiques principales de la structure retenue
2.2 Etude de sensibilit´e
2.2.1 Expression du flux `a vide
2.2.2 Expression du couple hybride
2.2.3 Dimensions de l’aimant
2.2.4 Dimensions d’une dent statorique
2.2.5 Conclusion
2.3 G´eom´etrie finale
2.3.1 Param`etres ´electriques et magn´etiques
2.3.2 Caract´eristiques en charge
2.4 Conclusion
3 Etude analytique et exp´erimentale de machines synchrones `a double excitation 
3.1 Introduction
3.2 Analyse d’une machine synchrone `a double excitation
3.2.1 Mod´elisation et ´etude des structures 3D
3.2.2 Machine 3D sans double excitation
3.2.3 Machine synchrone `a double excitation bipolaire
3.3 Pr´esentation de la structure ´etudi´ee
3.4 Essais `a vide
3.4.1 Evolution des fem `a vide et du flux
3
4 Table des mati`eres
3.4.2 Evolution des r´esultats en fonction de la modification du rotor
3.4.3 Mesure des r´esistances d’induit, d’inducteur et des inductances
3.4.4 Mesure des pertes `a vide
3.5 Essais en charge
3.5.1 Mesure du couple moteur
3.5.2 Mesure du rendement de l’ensemble convertisseur et machine
3.6 Conclusion
4 Conclusion 
II Dimensionnement analytique de machines synchrones 
1 Pr´e-dimensionnement optimal d’une machine synchrone `a aimants permanents 
1.1 Mod`eles pour le dimensionnement
1.2 Pr´esentation de la m´ethode
1.3 Etablissement et inversion du mod`ele de Park sans pertes
1.3.1 Introduction
1.3.2 M´ethodologie d’inversion du mod`ele de Park sans pertes
1.3.3 Conclusion
1.4 Inversion analytique d’un mod`ele r´eluctant
1.4.1 Obtention des mod`eles r´eluctants `a partir de la g´eom´etrie de la machine
1.4.2 Confrontation au mod`ele EF
1.4.3 Dimensionnement sans tenir compte des fuites et des chutes de force magn´etomotrice
1.4.4 Dimensionnement de machines synchrones `a aimants permanents
1.4.5 Conclusion
1.5 ´Etape de s´election
1.5.1 ´Etape d’´elimination
1.5.2 ´Etape de tri
1.6 Logiciel de dimensionnement
1.6.1 Les donn´ees fixes
1.6.2 Les donn´ees variables
1.6.3 Les grandeurs calcul´ees
1.7 Confrontation avec un mod`ele ´el´ements finis
1.8 Conclusion
2 Am´elioration des mod`eles en vue d’un dimensionnement optimal 
2.1 Am´elioration des mod`eles de Park
2.1.1 Prise en compte des pertes Joule
2.1.2 Prise en compte des pertes fer
2.1.3 Prise en compte des pertes Joule et des pertes fer
2.1.4 Comparaison des mod`eles
2.2 Am´elioration des mod`eles r´eluctants
2.2.1 Mod`ele lin´eaires
2.2.2 Mod`eles satur´es
3 Conclusion 
Conclusion g´en´erale 
Annexes 
A Cahier des charges pour un moteur de v´ehicule hybride 
A.1 Contraintes g´eom´etriques
A.2 Donn´ees et contraintes ´electriques et m´ecaniques
A.3 Donn´ees et contraintes thermiques
B Dimensions principales des machines ´etudi´ees 
B.1 Machine initiale
B.2 Machine finale
C Calcul et mesures d’inductances 
C.1 Introduction
C.2 Exploitation `a partir des flux dans le rep`ere du stator
C.2.1 Alimentation (I, -I/2, -I/2)
C.2.2 Alimentation (0, I, -I)
C.3 Exploitation `a partir des flux dans le rep`ere du rotor
C.4 Extension du calcul des inductances lorsque la saturation crois´ee est prise en compte
C.4.1 Calcul du flux d’excitation
C.4.2 Calcul des inductances
D Etude de l’influence de l’augmentation du volume des aimants sur le couple hybride 
D.1 Variation de l’´epaisseur des aimants `a hauteur fix´ee
D.2 Variation de la hauteur des aimants `a ´epaisseur fix´ee
D.3 Conclusion
E Prise en compte de la saturation 
E.1 Prise en compte de la saturation
E.1.1 Cas d’´ecole
E.1.2 Vers la g´en´eralisation de la m´ethode
E.1.3 Cas de figure o`u une portion du circuit magn´etique est travers´ee par deux flux orthogonaux
Bibliographie 

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