Fonctions et propriétés de la roue polaire

De nos jours, les machines électriques sont omniprésentes dans différents secteurs industriels, notamment dans le secteur automobile. Ces dispositifs de conversion d’énergie occupent différents rôles entre moteur et alternateur, et s’adaptent de plus en plus aux contraintes de l’industrie automobile. Que ce soit pour des raisons de compétitivité du secteur ou pour répondre aux restrictions de plus en plus sévères des normes notamment en termes d’émissions de CO2, les équipementiers automobiles, dont fait partie Valeo, sont dans un besoin continu d’améliorer les performances et l’efficacité énergétique de leurs machines. Certes, cette amélioration peut prendre différentes formes (nouvelles conceptions, optimisations, modélisation et simulation…), mais elle nécessite forcément une bonne connaissance du fonctionnement de la machine dans son intégralité ainsi que de ses divers composants. Aujourd’hui, grâce aux développements des méthodes et outils numériques, l’analyse du fonctionnement et des performances d’une machine électrique repose de plus en plus sur la simulation numérique. Cependant, pour réaliser une simulation proche de la réalité et de prédire correctement les performances de la machine, il est nécessaire de disposer de modèles fiables pour retranscrire les différents phénomènes physiques susceptibles de se produire pendant le fonctionnement de la machine.

Fonctions et propriétés de la roue polaire

La machine à griffes

Présentation de la machine à griffes
La machine à griffes est une machine synchrone, largement utilisée dans le secteur automobile. Elle peut être utilisée en mode alternateur comme en mode moteur. En premier lieu, son rôle est la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. Cette énergie est exploitée pour charger la batterie et alimenter, via un redresseur en courant continu, tous les récepteurs reliés au réseau de bord : système d’éclairage, système de climatisation, système d’essuyage, système de contrôle et système de sécurité. La particularité de la machine à griffes est liée à la structure massive de son rotor, qui comporte deux roues polaires avec des griffes axiales. La facilité de réalisation du rotor permettant de réduire le temps de fabrication et le prix de revient de la machine a rendu cette machine particulièrement attractive dans le domaine automobile .

Rendement et pertes de la machine à griffes

Afin d’étudier une machine électrique, il est indispensable de juger sa capacité à remplir sa fonction dans un environnement prenant en compte les pertes inhérentes au processus de conversion de l’énergie. C’est ce qu’on définit par la performance et l’efficacité énergétique de la machine. Ces notions peuvent être évaluées par trois critères, à savoir, le rendement de la machine ?, le courant redressé à la sortie de la machine ? et les pertes d’énergie qui ont eu lieu lors de la conversion de l’énergie. Ces critères dépendent de différents facteurs tels que le régime de fonctionnement de la machine, la géométrie, la taille et sections des bobinages, la température des composants, le système de refroidissement ainsi que les propriétés électriques et magnétiques des différents éléments.

En ce qui concerne les pertes de la machine, celles-ci se répartissent comme suit :

– Pertes de type mécanique : générées par les frottements dans les roulements et les frottements entre bagues et balais de l’excitation. A ces pertes, s’ajoutent les pertes aérauliques qui proviennent d’une part des ventilateurs de refroidissement et d’autre part du mouvement du rotor.
– Pertes de type électrique : il s’agit des pertes par effet Joule au stator (induit) et au rotor (excitation) ainsi que les pertes dans le pont redresseur à diodes qui résultent de la chute de tension aux bornes de ces diodes.
– Pertes de type magnétique, dites pertes fer : celles-ci ont lieu dans les éléments du circuit magnétique au rotor et au stator et se décomposent principalement en pertes par hystérésis et pertes par courants induits.

Etat de l’art sur la machine à griffes

Depuis les années 90, différents auteurs ont apporté une contribution importante au développement des méthodes de conception, de modélisation et d’optimisation de la machine à griffes. Ces travaux touchent principalement la modélisation de la machine, la réduction des pertes totales ainsi que l’étude de l’impact des procédés de fabrication sur ses paramètres.

En terme de modélisation M. Hecquet [19], M. Rakotovao [20], L. Albert [21], S. Hlioui [22] et S. Bazhar [23] ont étudié l’alternateur à griffes en utilisant des réseaux de réluctances et des modèles analytiques, alors que V.C. Silva [24], C. Kaehler et G. Henneberger [25] et G. Caron [26] se sont basés sur des modèles numériques. Ces derniers [25], [26] ont calculé par éléments finis les pertes par courants induits dans le rotor de l’alternateur à griffes en prenant en compte le mouvement de rotation. Dans [27], une étude sur l’influence des matériaux magnétiques sur le comportement de la machine à griffes a été menée dans l’objectif d’améliorer les performances de cette dernière et ce via l’utilisation des matériaux magnétiques de haute qualité. Grace au modèle de surface de pertes « loss surface » [28] les pertes fer de la machine ont été calculées par éléments finis pour trois catégories de matériaux et comparées. Les résultats de cette étude soulignent l’influence des matériaux magnétiques sur les performances de la machine ainsi que l’importance de la modélisation des pertes fer lors de la conception de la machine. En termes d’impact des procédés de fabrication, (R. Ramarotafika, 2012) [29] a mis en évidence des variations des propriétés électromagnétiques dans une population de stators ainsi qu’au sein d’une population de roues polaires.

En outre (M. El Youssef, 2017) [2] a étudié l’impact du processus de fabrication d’un stator Slinky (enroulement d’une bande de tôle plutôt qu’un empilement) sur les propriétés magnétiques. L’effet de chaque étape du procédé de fabrication sur les propriétés magnétiques a été quantifié afin de déterminer quelles sont les étapes les plus impactantes. La découpe (poinçonnage) ainsi que l‘enroulement (déformation plastique) sont les procédés qui présentent les impacts les plus importants. (M. Borsenberger, 2018) [1] a quant à lui étudié l’impact du processus de fabrication de la roue polaire (qui est forgée) sur ses propriétés électromagnétiques. Son but a été l’identification du lien procédé / propriété produit. Pour cela, une fois les paramètres matériau de la roue polaire déterminés, il a développé un banc spécifique pour caractériser magnétiquement des échantillons représentatifs de la roue polaire et ainsi construire des lois de comportement dépendantes des paramètres matériau tels que la taille de grain, le taux de déformation et le fibrage.

Matériau constitutif de la roue polaire

La fonction de la roue polaire est de canaliser et de guider le flux magnétique créé par la bobine d’excitation vers le stator. Cette fonction ne peut être assurée que grâce aux propriétés électromagnétiques du matériau constitutif de la roue polaire. Ce matériau doit répondre aux exigences suivantes :
– transférer le maximum de flux magnétique par unité de volume, ce qui se traduit par une forte aimantation à saturation,
– réaliser ce transfert en limitant l’énergie absorbée pour la magnétisation, c.-à-d. avec un champ excitateur faible, ce qui nécessite une perméabilité élevée, pour limiter les ampères tours nécessaires à la création du flux au rotor,
– présenter un hystérésis magnétique réduit et une faible conductivité électrique pour limiter les pertes fer (pertes par hystérésis et par courants induits),
– résister aux sollicitations thermiques et mécaniques exercées lors du fonctionnement de l’alternateur.

Composition chimique

En général, les aciers électriques utilisés dans les machines électriques sont à base de fer et de silicium. Le choix du silicium, comme élément d’alliage est justifié par son effet d’amélioration des propriétés du matériau aux niveaux mécanique, métallurgique et surtout électrique. En effet la présence d’atomes de silicium (en solution solide dans le fer) diminue considérablement la conductivité électrique directement liée aux pertes par courant induits [30]. Cependant, l’ajout de cet élément durcissant est limité en raison des difficultés de mise en forme. Le taux de silicium dans les tôles d’aciers électriques est généralement compris entre 1% et 3%. Néanmoins, dans le cas de la roue polaire, le forgeage à chaud (Cf. paragraphe II.2) est employé dès les premières étapes du processus de mise en forme du lopin d’acier, et le taux de silicium est tout au plus de 0.6% pour limiter les courant induits tout en maintenant une forgeabilité acceptable. Ainsi, pour la fabrication des roues polaires, l’acier faiblement allié de grade SAE1005 (XC05),

Environnement de fonctionnement de la roue polaire

Pendant le fonctionnement de la machine à griffes, la roue polaire est sollicitée mécaniquement et thermiquement. D’un point de vue mécanique, comme tout objet tournant, la roue polaire est soumise à des forces centrifuges radiales (vitesses de rotation élevées du rotor, environ 15000 tr/min). Elle subit des contraintes mécaniques assez élevées (allant de 350 à 500 MPa). Aussi, lorsque le rotor est entrainé à des fréquences proches de sa fréquence propre, des phénomènes vibratoires s’accentuent engendrant d’autres contraintes mécaniques. D’un point de vue thermique, lors de la conversion électromécanique, les différentes sources de pertes d’origine électromagnétique (pertes fer, pertes Joule, (Cf. Figure I. 6)) conduisent à un échauffement de la machine à griffes. Cet échauffement influence fortement les performances et la durée de vie de la machine. En effet, malgré l’intégration d’un système de refroidissement, la température, de certains composants, peut être localement relativement élevée. Dans le cas de la roue polaire, la température moyenne de service est d’environ 150°C. Cependant, les points chauds peuvent atteindre 180°C. Ces contraintes thermiques et mécaniques ne peuvent être sans influence sur les caractéristiques du noyau magnétique qui évoluent au cours du fonctionnement de la machine électrique..

Table des matières

Introduction générale 
Chapitre 1 : Etat de l’art
Première partie : Fonctions et propriétés de la roue polaire
I. La machine à griffes
I.1 Présentation de la machine à griffes
I.2 Etude de la machine à griffes
I.3 La roue polaire dans la machine à griffes
II. Cycle de vie de la roue polaire
II.1 Matériau constitutif de la roue polaire
II.2 Procédés de fabrication de la roue polaire
II.3 Environnement de fonctionnement de la roue polaire
Deuxième partie : Propriétés de l’acier de la roue polaire dans son environnement
I. Microstructure et propriétés magnétiques
I.1 Généralités sur le magnétisme
I.2 Généralités sur la microstructure des aciers
I.3 Microstructure et propriétés électromagnétiques
II. Impacts de la température sur les propriétés de l’acier magnétique
II.1. Effet réversible de la température
II.2. Vieillissement magnétique
Troisième partie : Techniques de caractérisation applicables à la roue polaire
I. Mesure de la conductivité électrique
I.1 Mesures sans contact
I.2 Mesures avec contact.
II. Mesure des propriétés magnétiques
II.1 Techniques de caractérisation normalisées
II.2 Techniques de caractérisation non normalisées
III. Mesure de phénomènes magnétothermiques
Chapitre 2 : Méthodologie de caractérisation de la RP
Première partie : Analyse du besoin
I. Définition du besoin
I.1 Contrainte de géométrie
I.2 Contrainte d’hétérogénéité de la RP
I.3 Contrainte de température
II. Echantillonnage de la roue polaire
II.1 Zone d’extraction des échantillons
II.2 Dimensionnement des échantillons
II.3 Technique de prélèvement des échantillons
Deuxième partie : Caractérisation magnétique de la RP
I. Conception du banc mini-SST
I.1 Définition du dispositif mini SST
I.2 Modèles numériques
I.3 Mesure du champ magnétique
I.4 Mesure de l’induction magnétique
II. Mise en place et développement du banc
II.1. Mise en place du banc
II.2. Analyse de la mesure mini SST : Diagramme 5M
II.3. Définition de la méthode et du protocole de mesure
II.4. Validation du banc mini SST
III. Exploitation
III.1. Population à étudier
III.2. Propriétés magnétiques de la RP
Troisième partie : Caractérisation de la conductivité électrique de la RP
I. La mesure 4 pointes
I.1 Principe de la mesure.
I.2 Banc de caractérisation.
I.3 Incertitudes de mesure
I.4 Détermination du protocole expérimental
II. Facteur de forme
II.1 Méthode numérique pour la simulation du facteur de forme
II.2 Comparaison du modèle numérique avec l’approche analytique
III. Exploitation de la méthode de mesure
III.1. Population à étudier
III.2. Caractérisation de la conductivité électrique de la roue polaire
Chapitre 3 : Dépendance en température de fonctionnement des propriétés électromagnétiques de la RP
Première partie : Dépendance en température des propriétés électromagnétiques de la RP
I. Mesures expérimentales
I.1 Population étudiée
I.2 Protocole expérimental
II. Dépendance en température des propriétés électromagnétiques de la RP
II.1 Dépendance en température de la conductivité électrique
II.2 Dépendance en température des propriétés magnétiques
II.3 Lien expérimental entre la dépendance en température des pertes dynamiques et la conductivité
Deuxième partie : Prédiction des pertes dynamiques d’un échantillon RP à température élevée à partir de la conductivité électrique
I. Aperçu bibliographique des modèles avec prise en compte de la température
I.1. Modèle statique de Jiles-Atherton
I.2. Modèle de séparation des pertes
I.3. Modèle de résolution de l’équation de diffusion
II. Modèle de prédiction des pertes dynamiques à température élevée appliqué sur un échantillon RP
II.1. Résolution de l’équation de diffusion dans le cas de l’échantillon RP
II.2. Définition du modèle
II.3. Validation du modèle sur l’échantillon roue polaire
Troisième Partie : Application – Effet de la température de fonctionnement de la roue polaire sur les performances de la machine à griffes
I. Modélisation de la machine à griffes
I.1. Modèle numérique
I.2. Conditions de calcul
I.3. Validation
II. Effet de la température de fonctionnement de la RP sur la machine à griffes
II.1. Fonctionnement à vide
II.2. Fonctionnement en charge
Chapitre 4 : Vieillissement magnétique
Première partie : Etude expérimentale du vieillissement magnétique du matériau RP
I. Mesures expérimentales
I.1 Population étudiée
I.2 Protocole expérimental
I.3 Outils et méthodes de caractérisation
II. Effet du vieillissement sur le matériau de la RP
II.1. Effet du vieillissement sur la conductivité électrique
II.2. Effet du vieillissement sur les propriétés magnétiques
II.3. Effet du vieillissement sur la microstructure et sur la dureté mécanique
Deuxième partie : Analyse du vieillissement magnétique de la RP
I. Cinétique du vieillissement de la RP
I.1. Précipitation et ancrage des parois de domaines
I.2. Cinétique de vieillissement au sein de la RP
I.3. Vieillissement et durcissement mécanique
II. Vieillissement du matériau RP au sein de la machine à griffes
II.1. Hétérogénéité du vieillissement au sein de la RP
II.2. Impact du vieillissement sur la machine à griffes
Conclusion générale

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