État de l’art des machines électriques à courant alternatif

Les moteurs électriques représentent 70% de la consommation d’énergie dans l’industrie en France comme en Europe [Mot06]. À l’heure où la réduction de la facture énergétique et la préservation de l’environnement constituent des enjeux majeurs pour notre planète, l’amélioration des performances énergétiques des moteurs électriques devient une nécessité. La norme CEI 60034-30-1, sortie en 2014, fixe les exigences en termes de rendement des moteurs allant de 120 W à 1000 kW. La norme définit 4 classes de rendement IE (International Efficiency) [Abb14]:

− IE1 : rendement standard (standard efficiency) ;
− IE2 : rendement élevé (high efficiency) ;
− IE3 : rendement plus élevé (premium efficiency) ;
− IE4 : rendement supérieur (super premium efficiency).

En Europe, l’utilisation des moteurs IE1 n’est plus autorisée depuis 2011. Les moteurs IE2 deviennent alors obligatoires. Depuis, 2015 le niveau IE3 est applicable pour les moteurs entre 7,5 kW et 375 kW. Depuis janvier 2017, le niveau IE3 est devenu obligatoire pour les moteurs entre 0,75 kW et 375 kW. De ce fait, la recherche de moteurs énergétiquement performants devient indispensable. Le travail de cette thèse est réalisé en partenariat avec la société Moteurs Leroy Somer [Ler16], qui est un fabricant de machines électriques pour diverses applications. LeroySomer propose une large gamme de moteurs à haut rendement. À titre d’exemple, le moteur asynchrone LSES figure parmi les moteurs à haut rendement IE2 et IE3. Le moteur LSRPM à aimants permanents en terres rares atteint lui le niveau de rendement IE4. Les entraînements par moteurs électriques figurent parmi les systèmes les plus présents dans l’industrie et donc constituent des vraies pistes d’amélioration énergétique. Ils comportent des applications à vitesses élevées (compresseurs, véhicules électriques, etc.) mais aussi des applications à basses vitesses et qui exigent souvent un fort couple. Ces applications concernent par exemple le levage (grues, ascenseurs), les convoyeurs, les machines-outils ou bien encore la transformation de denrées alimentaires (broyeurs).

État de l’art des machines électriques à courant alternatif

Un peu d’histoire … 

Le phénomène de base de l’attraction électromagnétique trouve ses origines dans les travaux du philosophe grec Thalès de Milet (~600 av. J.C) qui a étudié l’attraction des corps légers par l’ambre jaune frotté (le mot « électron, ήλεκτρο » signifie ambre en grec). À cette époque, les grecs connaissaient aussi une sorte de pierre, venant de la ville de Magnésie, en Ionie, qui pouvait attirer les petits morceaux de fer. Cette pierre fut appelée magnes (mágnês, µάγνης) qui signifie « de Magnésie ». Les phénomènes de l’ambre (électrique) et de la « pierre de Magnésie » (magnétique) ont été souvent confondus à cause de leur capacité, à tous les deux, d’exercer une force d’attraction à distance. Ce pouvoir fut considéré « mystérieux » à une époque où on ne concevait que des forces de contact. Il a fallu attendre jusqu’au XVIIème siècle pour établir une première relation entre les phénomènes électriques et les phénomènes magnétiques dans un ouvrage publié en 1600 et intitulé « De magnete ». C’est la naissance de l’électrostatique. Durant cette période des travaux importants sont réalisés sur la foudre et les décharges électrostatiques notamment par Benjamin Franklin. Le XVIIIème siècle a été marqué par l’invention des piles électrochimiques de Volta. Pour la première fois, on était capable de délivrer un courant continu. Cependant, ces piles étaient nocives et très coûteuses. Ainsi, les premières machines électriques furent conçues comme des génératrices destinées à remplacer les générateurs électrochimiques [Mul94].

Le début véritable des moteurs électriques remonte, au XIXème siècle. En 1820, le danois Hans Oersted découvre qu’un courant électrique dévie une aiguille aimantée. Cette expérience, inspire à André-Marie Ampère toutes les lois de l’électromagnétisme moderne et il énonce la « règle du bonhomme d’Ampère ». Le premier moteur électromagnétique est réalisé en 1821 par l’anglais Michael Faraday et en 1822, Peter Barlow lui rajoute une roue dentée ce qui donne lieu à la « roue de Barlow » . En 1831, Faraday découvre le phénomène de l’induction : le mouvement d’un aimant dans un circuit fermé génère, dans celui-ci, un courant électrique. Cette découverte ouvre la voie aux applications pratiques de l’électricité. En 1869, le belge Zénobe Gramme invente le collecteur et rend possible la réalisation des génératrices à courant continu [Esp96].

Ce n’est qu’en 1887 que le serbe Nikola Tesla dépose un brevet sur la machine asynchrone et en même temps l’italien Galileo Ferraris établit la théorie du champ tournant et publie une théorie sur la machine asynchrone. Le premier moteur asynchrone triphasé est réalisé par le russo-polonais Michael Dolivo-Dobrowolski en 1889 . Entre les années 1887 et 1889 les premiers générateurs triphasés synchrones sont réalisés séparément par l’américain Charles Bradley et par l’allemand Friedrich Haselwander . Peu importe la technologie, synchrone ou asynchrone, le fonctionnement des machines électriques est basé sur une interaction magnétique entre le stator et le rotor.

Dès le début du XXème siècle, les fondements théoriques des machines électriques furent établis. L’émergence de l’électronique de puissance et le besoin de contrôler et de commander les machines poussent les chercheurs à trouver de nouveaux outils mathématiques pour les étudier. En 1929, l’une des transformations les plus utilisées dans le domaine de l’électrotechnique, est présentée par l’américain Robert H. Park [Par29]. Il propose un changement de repère pour passer à un système triphasé « odq » et pour passer de grandeurs alternatives à des grandeurs continues. Ceci a facilité l’étude des machines électriques ainsi que l’implémentation de leur commande.

Aujourd’hui, les avancées dans le domaine de l’électronique de puissance ainsi que les développements réalisés au niveau des matériaux permettent de concevoir une multitude de structures de machines électriques destinées à diverses applications industrielles. L’objectif de ce chapitre est de présenter l’application concernée et d’identifier des structures de machines susceptibles de répondre aux exigences souhaitées. La première partie définira les caractéristiques de l’application visée par le travail de recherche. Ensuite, on présentera de façon générale, les grandes familles de machines selon la direction du flux magnétique : radiale, axiale et transverse. Finalement, une étude bibliographique sur des structures pour l’entraînement direct sera faite et une classification des machines trouvées dans la bibliographie sera réalisée afin d’identifier les concepts innovants.

Caractéristiques de l’application visée 

Dans le cadre de cette thèse, le travail de recherche porte sur des systèmes à entraînement direct à fort couple et basse vitesse. Les solutions conventionnelles utilisent une machine à vitesse élevée connectée à un réducteur mécanique ce qui permet de réduire la vitesse et d’augmenter le couple . Les avancées technologiques en termes de matériaux et de structures ont permis la conception de machines capables de tourner à basse vitesse et de délivrer un couple élevé sans passer par un étage mécanique .

Les systèmes à entraînement direct présentent plusieurs avantages comparés aux systèmes conventionnels [Har03]. En effet, l’absence de l’étage mécanique qui relie le moteur à la charge permet de :
− rendre le système plus fiable car le réducteur est une source importante de problèmes mécaniques ;
− réduire les bruits causés par le système de transmission ;
− réduire le coût ainsi que le temps de maintenance car les engrenages du réducteur doivent être lubrifiés régulièrement ;
− réduire les pertes mécaniques ce qui peut améliorer le rendement du système.

Il existe plusieurs exemples d’applications à entraînement direct qui relèvent de la vie quotidienne et qui exigent une densité de couple élevée. Parmi ces applications on peut citer :
− la traction électrique [Muk16, Nai13] ;
− les générateurs pour éoliennes [Fer07, Plo16, Pol07] ;
− les ascenseurs [Fic01, Yet13] ;
− les machines-outils [Xia09] ;
− la propulsion marine [Tho13].

Dans le cadre de notre travail de recherche, le type de cahier des charges auquel on s’intéresse est le suivant :
− vitesse de rotation inférieure à 1000 tr/min ;
− couple moyen de l’ordre de 200 Nm ;
− facteur de puissance supérieur à 0,85 ;
− ondulations de couple inférieures à 5%.

Après avoir défini les caractéristiques de l’application visée, le paragraphe suivant sera consacré à la présentation des différents types de machines à courant alternatif. Il s’agit d’un inventaire non exhaustif qui vise à donner les topologies de base et le principe de fonctionnement des machines électriques à flux radial, axial et transverse.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 État de l’art des machines électriques à courant alternatif
1.1 Introduction
1.2 Caractéristiques de l’application visée
1.3 Présentation générale des machines à courant alternatif
1.4 Étude bibliographique : applications à entraînement direct
1.5 Conclusion
Chapitre 2 Étude comparative par éléments finis de structures à flux radial
2.1 Introduction
2.2 Calcul des performances électromagnétiques
2.3 Première comparaison de machines à flux radial : structures de base
2.4 Deuxième comparaison de machines à flux radial : structures modifiées
2.5 Choix du nombre de dents et du nombre de pôles de la machine en multi-V
2.6 Conclusion
Chapitre 3 Modélisation analytique multi-physique de la machine 18/16 à flux radial
3.1 Introduction
3.2 Modèle magnétique
3.3 Modèle électrique
3.4 Modèle énergétique
3.5 Modèle thermique
3.6 Modèle mécanique
3.7 Modèle technico-économique
3.8 Couplage des modèles
3.9 Conclusion
Chapitre 4 Optimisation multi-objectifs et validation expérimentale de la machine à flux radial
4.1 Introduction
4.2 Principes généraux de l’optimisation
4.3 Formulation du problème d’optimisation
4.4 Méthode d’optimisation adoptée
4.5 Première optimisation: définition du prototype
4.6 Validation expérimentale du modèle multi-physique
4.7 Optimisations avec diamètre extérieur fixe et variable
4.8 Évaluation des gains technico-économiques
4.9 Conclusion
Chapitre 5 Étude et modélisation de la machine 18/16 à flux axial
5.1 Introduction
5.2 Étude en éléments finis de la machine à flux axial
5.3 Modélisation analytique multi-physique de la machine à flux axial
5.4 Optimisation de la machine à flux axial
5.5 Comparaison avec la machine à flux radial
5.6 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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