Généralités sur les machines synchrones à aimants permanents

Au cours des dernières années, les machines à aimants permanents sont devenues de plus en plus répandues dans une large gamme d’applications grâce au progrès accru dans le domaine des matériaux magnétiques à base de terres rares, comme les Sm-Co et Nd-Fe-B. En effet, les nouveaux aimants permanents ont permis d’améliorer la performance dynamique, le rendement et le facteur de puissance de ces machines par rapport aux machines traditionnelles. Les chaînes éoliennes, les véhicules électriques hybrides et l’aéronautique sont des domaines dans lesquels les machines à aimants permanents sont largement employées actuellement. Toutefois, les exigences liées à la sûreté de fonctionnement de ce type de machines prennent une large part dans les contraintes de leur mise en disposition. Ainsi, l’intégration des modules de surveillance et de diagnostic dans de telles applications est un point essentiel afin d’alerter les utilisateurs et même les concepteurs en cas d’un dysfonctionnement, dès son apparition, dans le but de garantir la sécurité et l’intégrité du système. Afin de répondre à ces exigences, le but de notre travail est de proposer une approche de diagnostic de défauts basée sur l’analyse des signaux vibratoires, issus principalement d’un modèle analytique de la machine.

Généralités sur les machines synchrones à aimants permanents

Avec l’amélioration croissante des capacités énergétiques des aimants permanents en terres rares et les progrès constants réalisés dans les domaines de la commande et de l’électronique de puissance, les machines à aimants permanents sont devenues, depuis quelques décennies, très compétitives par rapport aux actionneurs asynchrones, surtout dans la motorisation des véhicules hybrides électriques [8]. Par définition, les machines à aimants permanents représentent une famille des machines synchrones pour laquelle l’excitation du circuit magnétique s’effectue par des aimants permanents. En fonction des courants parcourant les phases statoriques, on peut distinguer entre les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) pour des courants sinusoïdaux et les machines à courant continu (MCC), à courant continu sans balais (ou en anglais BrushLess DC (BLDC)) et les moteurs pas à pas (MPP) pour des courants non sinusoïdaux. En raison de leur flux quasi-sinusoïdal dans l’entrefer et de leurs meilleures performances que leurs consœurs à aimants, les MSAP sont les plus adaptées dans divers domaines industriels, malgré leur coût relativement élevé et leurs électroniques de commande et de puissance complexes. Par conséquent, notre choix s’arrête dans cette étude sur la MSAP et on rappelle dans cette partie sa structure, son mode de fonctionnement ainsi que sa modélisation.

Structure et fonctionnement de la MSAP

La MSAP est un système électromécanique, dont le fonctionnement est basé sur le principe de rotation du champ magnétique au stator en synchronisme avec le rotor. Le champ tournant de l’induit au stator est créé par les courants quasi sinusoïdaux parcourant ses enroulements et générés par la source d’alimentation en tension ou en courant. L’inducteur au rotor est la partie mobile de la machine, liée à son axe de rotation et sur lequel sont disposés les aimants permanents générant son excitation permanente. La force d’attraction créée entre ces deux champs donne naissance au couple électromagnétique qui, quant à lui, permet la rotation du rotor [9]. Toutefois, si la rotation du champ statorique s’effectue indépendamment de la position instantanée du rotor, comme c’est le cas de la machine synchrone classique, il y aura un risque de décrochement du rotor dans le cas d’un entrainement à vitesse variable. Par conséquent, et afin d’éviter ce risque et de stabiliser le comportement de la machine, la commutation des onduleurs doit s’effectuer en synchronisme avec la position du rotor, au moyen d’un capteur de position.

Plusieurs critères permettent de distinguer les différentes topologies des MSAP :
– La position du rotor : intérieure ou extérieure,
– La position des aimants : montés en surface ou insérés dans le rotor,
– Le sens du flux : radial (RF), axial (AF) ou transversal (TF),
– Le bobinage : réparti (distribué) ou concentré (dentaire).

Les différentes topologies et technologies des MSAP sont largement détaillées dans [10]. Dans notre étude, nous retiendrons la structure à rotor intérieur en raison de sa facilité de mise en œuvre et de la bonne évacuation des pertes statoriques. Concernant le sens du flux dans l’entrefer, nous allons considérer la configuration la plus classique et commune qui est celle à flux radial.

Le rotor

Le rotor est constitué d’un noyau ferromagnétique, massif ou laminé, muni des aimants permanents assurant son excitation permanente. Les aimants permanents sont des matériaux magnétiques durs qui, une fois aimantés, garde leur aimantation à la même température d’utilisation. Ces aimants peuvent être subdivisés, selon leur caractéristiques démagnétisantes, en trois principaux groupes : les Alinco, les ferrites et les terres rares (Sm-Co et Nd-Fe-Co). Malgré leurs coûts plus élevés que ceux des autres aimants permanents, les matériaux terres rares sont les plus appropriés pour les applications à hautes performances en raison de leurs meilleures propriétés magnétiques telles que : induction rémanente et champ coercitif élevés, caractéristique ?(?) quasi-linéaire, bonne tenue en température .

Dans ce travail, on s’intéresse à la machine synchrone à aimants montés en surface comme elle présente un bon compromis entre les performances d’une part et d’une autre part la simplicité de construction et de modélisation [16]. Dans une telle machine, les aimants sont collés sur la surface du rotor par des résines spéciales et puis consolider avec un tube de matériau amagnétique et non conducteur afin d’éviter leur décollage à haute vitesse. En outre, étant donné que la perméabilité des aimants en terres rares est quasiment égale à celle de l’air, on peut considérer que cette machine possède un entrefer magnétique équivalent constant et relativement large. D’où, on est dans le cas de machine à pôles lisses avec des faibles inductances statoriques et une réponse dynamique rapide de son courant ainsi que de son couple. En revanche, on ne peut pas négliger, dans une telle configuration, les risques des démagnétisations partielles ou totales, de corrosion et de détachement des aimants ainsi que la limitation de la plage de défluxage de la machine.

Le stator

Le stator est quant à lui similaire à celui d’une machine synchrone classique. Il est constitué d’un empilement de tôles encochés, muni d’un enroulement triphasé représenté par les trois axes (?, ?, ?) déphasés, l’un par rapport à l’autre, d’un angle de 120° électrique. Le but de cet enroulement est de créer un champ magnétique tournant, lorsqu’il est alimenté par un système triphasé de courant ou de tension [17]. Ce champ interagit avec celui créé par les aimants permanents pour produire le couple. Chaque encoche est remplie, en fonction de son facteur de remplissage, par le bobinage des conducteurs isolés les uns des autres et isolés aussi du circuit magnétique statorique. Ces conducteurs sont enroulés d’une encoche à l’autre selon le type de bobinage adapté, en formant des têtes de bobines (ou bien des chignons) de part et d’autres du stator.

D’une part, le bobinage distribué, encore appelé réparti, est la technique la plus utilisée dans l’industrie. Son avantage majeur est qu’elle permet une répartition quasi-sinusoïdale du champ magnétique dans l’entrefer. Par conséquent, elle augmente la capacité du bobinage à récupérer le flux rotorique et donc de réduire les pertes magnétiques. Par ailleurs, le bobinage distribué est bien adapté dans les applications à grande vitesse, où un nombre de paires de pôles réduit est bien nécessaire. L’inconvénient principal de cette structure de bobinage est le volume de cuivre important perdu, notamment dans les têtes de bobines, lors de sa mise en place.

D’une autre part, le bobinage concentrique est une ancienne technique de bobinage qui consiste à entourer chaque dent par un enroulement et puis relier les enroulements de la même phase en série ou en parallèle. Cette structure de bobinage présente beaucoup d’avantages, par rapport à la première, qui résident dans : la réduction des têtes de bobines et donc du volume de cuivre utilisé, sa facilité de réalisation et son efficacité plus élevée pour le même couple moyen. Ce type de bobinage est très adapté dans les applications à grande puissance, avec un nombre de phases ou de pôles importants.

Modélisation de la MSAP

Depuis l’introduction des machines à aimant permanents, plusieurs modèles physiques leur ont été proposés pour différents objectifs qui dépendent principalement du but de l’utilisateur. Autrement dit, un modèle peut être développé dans le but de décrire le comportement et les performances d’un système et on l’appelle modèle de comportement ou bien dans le but de le concevoir en répondant à un cahier de charge spécifique et on l’appelle modèle de conception. Le premier modèle est généralement employé dans des activités liées à la commande et à la surveillance alors qu’on retrouve le deuxième dans les démarches de création optimale d’une nouvelle structure. Des détails sur ses deux approches de modélisation sont plus développés dans [10]. Dans le cadre de diagnostic de défauts, la simulation des machines électriques constitue la phase primordiale afin d’étudier son comportement sain ou en présence de défauts. Le premier objectif d’un tel modèle est de construire des bases de données sur les signes électriques ou magnétiques mesurables correspondant aux défauts considérés [21]. En effet, l’étude d’un défaut peut être menée par des mesures réelles provenant d’un banc expérimental ou bien par une simulation de la machine considérée. Bien évidemment, l’approche basée sur la simulation présente un intérêt particulier puisqu’elle permet de simuler plusieurs scénarios sans besoin d’un prototype de la structure à surveiller [22]. En outre, ce modèle permet de vérifier les performances des algorithmes de détection développés, avant leur mise en place. Par ailleurs, un modèle de la machine, adapté aux défauts, permet la reconfiguration de son architecture par sa loi de commande afin de s’adapter au mode de fonctionnement dégradé [23]. Vue son intérêt dans un problème de diagnostic, on va s’intéresser dans cette partie à la problématique de modélisation des machines. Trois familles de méthodes de modélisation sont identifiables dans la littérature : les méthodes numériques, les méthodes purement analytiques et les méthodes semi-analytiques [24]. Le choix du modèle se fait selon un compromis entre deux exigences majeures  : l’erreur de modélisation d’une part et le temps de calcul d’une autre part .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. État de l’art des défauts des machines synchrones à aimants permanents et de leurs outils de diagnostic
Introduction
Généralités sur les machines synchrones à aimants permanents
Structure et fonctionnement de la MSAP
Modélisation de la MSAP
Défauts des machines électriques
Etude statistique sur les défauts des machines électriques
Défauts au stator
Défauts au rotor
Différentes approches de diagnostic
Approches à base de modèle
Approche sans modèle
État de l’art de surveillance des défauts des machines électriques
Grandeurs mesurables et signaux de défauts
Détection et localisation de défauts par analyse de signaux
Analyse vibratoire des machines électriques
Objectifs du travail proposé
Conclusion
Chapitre II. Modélisation multiphysique de la machine synchrone à aimants permanents
Introduction
Modèle analytique multiphysique de la MSAP
Hypothèses simplificatrices de modélisation
Partie électronique de puissance
Partie électrique
Partie magnétique
Partie mécano-vibratoire
Modélisation analytique des défauts
Défaut de court-circuit inter-spires
Défaut d’excentricité rotorique
Défaut de démagnétisation
Exploitation du modèle analytique de simulation
Régime sain
Régimes défectueux
Modélisation par méthodes à éléments finis
Modèle magnétique sain à vide par MEF
Modèle mécanique par MEF
Modélisation de défaut de démagnétisation par MEF
Conclusion
Chapitre III. Analyse des impacts de défauts simples et combinés sur les signaux vibratoires
Introduction
Cas de défauts simples
Récapitulatif des impacts de défauts
Analyse des indicateurs de défauts simples
Analyse d’enveloppe du signal vibratoire pour les défauts simples
Table de signatures de défauts simples
Cas de défauts combinés
Exploitation du modèle analytique
Impacts de défauts combinés
Analyse de pertinence des indicateurs conventionnels
Table de signatures de défauts simples et combinés
Conclusion
Chapitre IV. Architectures proposées de diagnostic : détection et localisation de défauts simples
Introduction
Détection et localisation de défauts simples par test statistique
Phase de seuillage
Localisation de défauts
Test de performance de l’approche de diagnostic
Diagnostic de défauts simples par les réseaux de neurones
Modèle d’un neurone artificiel
Le Perceptron Multi-Couches
Configuration et paramétrage du PMC
Développement des différents PMC
Test des différents PMC développés
Comparaison de performances des deux méthodes de diagnostic
Conclusion
Conclusion générale

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