Machine Pentaphasée A Double Polarité Pour Electrification Du Domaine Des Transports

La raréfaction de la ressource pétrolière, et la problématique de son épuisement dans les prochaines années devrait conduire à une utilisation parcimonieuse de cette ressource. Alors que la consommation mondiale de “l’or noir”devrait doubler d’ici 2050, les études estiment qu’à l’horizon de l’année 2054, la réserve brut de pétrole va s’épuiser [16]. En effet, la consommation mondiale annuelle s’élève à 35 milliards de barils, alors que les découvertes ne dépassent pas le 15 milliards de barils[17]. Le secteur du transport semble le plus dépendant de cette ressource puisque deux tiers de la production pétrolière est raffinée pour en faire du pétrole ou du gazole nécessaire aux véhicules[16]. Cette problématique risque de conduire à la hausse de prix de cette ressource ce qui va limiter la consommation de cette ressource au profit des sources d’énergie alternatives notamment les énergies renouvelables, en cours de développement de nos jours. Par ailleurs, l’électrification des véhicules augmente leur efficacité, surtout en ville, dans la mesure où elle permet aisément la récupération de l’énergie cinétique de freinage.

La contrainte économique n’est pas la seule qui pose problème concernant l’utilisation de pétrole. Cette ressource est à l’origine des émissions des gaz à effets de serre. En effet, 26% des émissions carbone CO2 proviennent principalement du secteur du transport . L’augmentation des émissions de CO2 liées aux transports s’est faite malgré l’amélioration de la performance énergétique des véhicules au cours des années, car l’utilisation des transports de passagers et de marchandises a quant à elle augmenté. La voiture est encore utilisée pour environ 65% des déplacements en France[18], dans plus de 80% des cas en Europe. Les améliorations dans l’efficacité énergétique des moteurs n’ont pas suffi face à la hausse de l’utilisation de la voiture et des moyens de transport dépendant du pétrole. Dans ce sens, l’Union Européenne instaure un règlement concernant les émission carbone des voitures neuves vendues en Europe. En 2015, La consommation carbone des voitures neuves est limitée à 130g de CO2, soit 5.2l/100Km. En 2020, cette limite est fixée à 95g, soit 3.7l/Km [19]. Ces règlements viennent dans le cadre des efforts faits par l’Union Européenne dans le but de réduire de 80 à 95% les émissions carbone globales (tout secteur inclus) d’ici 2050[19]. Or, cette réduction exige une réduction de 60% des émissions de la part du secteur du transport. Ces mesures permettent non seulement de réduire l’importation et la réduction des dépenses en carburant, mais va inciter également les constructeurs à investir dans la production des véhicules plus efficaces, visant la réduction de ces émissions.

Depuis la découverte du magnétisme, le développement important de la technologie des machines électriques a permis à ces dernières de s’imposer dans le domaine industriel pour la création de l’énergie mécanique. De nos jours, les outils de conception et de contrôle des machines électriques sont bien maîtrisés et connus. Ces éléments, dans le contexte de la volonté de concevoir de nouvelles chaînes de propulsion avec faibles émissions carbone, ont conduit à introduire ces machines dans le secteur du transport.

Le principe de l’hybridation est de faire fonctionner le moteur électrique dans les régimes de fonctionnement où le rendement du moteur thermique est faible (démarrage) voire nul (freinage). Ce fait permet donc de réduire la consommation du véhicule et donc un meilleur rendement global est obtenu. Il existe différents niveaux d’hybridation, selon le niveau de participation du moteur électrique dans le fonctionnement.

1. Mild-Hybrid: Dans ce type d’hybridation, le moteur électrique est introduit afin de récupérer l’énergie de freinage. Cette énergie est ensuite utilisée comme appoint de puissance pendant l’accélération. En général, la réduction des émissions carbone ne dépasse pas le 25%. Les monoplaces de F1 utilisent ce type d’hybridation en utilisant un moteur thermique V6 avec un moteur électrique, capable de fournir la même puissance que le moteur thermique V10 utilisé avant l’hybridation [20].

2. Full-Hybrid: Le moteur électrique peut être utilisé seul ou avec le moteur thermique. Le pourcentage de l’utilisation du moteur électrique dépend essentiellement de la capacité de stockage de la batterie. Une réduction de l’émission carbone entre 25% et 35% est assurée.

3. Plug-in hybrid: Dans ce mode d’hybridation, la batterie alimentant le moteur électrique peut être rechargée par le réseau électrique, ce qui permet d’utiliser parfois le mode tout électrique, notamment dans les villes (avec typiquement des vitesses inférieures à 90 Km/h et des trajets courts). Citons comme exemple les voitures familiales Chevrolet Volt, Opel Ampera, et Toyota Prius Hybrid Plug-in et WW Golf.

Quand il s’agit de grande ou moyenne puissance, par exemple les navires, l’hybridation est utilisée d’une autre façon (hybride série): le moteur Diesel (ou turbine à vapeur) entraîne un alternateur, qui alimente le moteur électrique. Sa capacité à travailler à vitesse variable, sa discrétion acoustique et vibratoire, sa compacité et poids permettant d’éviter un arbre mécanique long et parfois sa capacité à fonctionner en générateur, sont les principaux motifs de l’utilisation du moteur électrique.

Choix du nombre de phases de la machine

L’augmentation du nombre de phases peut avoir des impacts positifs et négatifs tant sur la performance que sur la commande. Outre la tolérance aux pannes, de nombreux avantages sont obtenus suite à l’utilisation des machines polyphasées:

1. La distribution de puissance sur un nombre plus grand de phases, notamment les applications à basse tension, où les courants des phases sont souvent élevés. En effet, si la machine triphasée a la même puissance que la machine polyphasée, elle possède des courants de phase plus importants. Ce fait permet d’alléger, dans les machines polyphasées, les contraintes de conception tant sur la machine que sur les convertisseurs de puissance[30; 31]notamment en évitant la mise en parallèle de composants appariés et supposés le rester dans le temps.
2. La possibilité d’obtenir réduction des effets parasites dans la machine notamment les ondulations du couple avec des courants non sinusoïdaux[32], les vibrations et le bruit acoustique et magnétique.
3. L’introduction de degrés de liberté supplémentaires dans la commande. Il est possible d’injecter dans les machines polyphasées, des harmoniques de courant de rang supérieur (>1) et contribuant à la production du couple avec des courants non sinusoïdaux tout en conservant un contrôle vectoriel très proche et robuste comme celui des machines triphasées .

Particularité de la nouvelle machine par rapport aux solutions polyphasées existantes

L’utilisation d’une machine à cinq phases pose la question de la façon d’utiliser les degrés de liberté alors disponibles au niveau de la commande des 5 ou 10 bras d’onduleur. Les stratégies de commande et les résultats dépendent étroitement des caractéristiques de la machine (nombre des phases, bobinage, topologie du rotor). Cependant, jusqu’à présent la plupart des machines polyphasées considérées n’ont pas été conçues pour explorer toutes les potentialités offertes par les degrés de liberté. Les degrés de liberté supplémentaires offrent une flexibilité de commande, permettant d’alimenter la machine sous différentes stratégies de contrôle et sous différentes contraintes, aboutissant à différentes performances de la machine, où chaque stratégie de commande possède des avantages et des inconvénients selon l’objectif assigné à la machine. Ce fait montre la capacité des machines polyphasées, et si la structure stator/rotor est adéquate, à exploiter pleinement et d’une manière efficace et optimale les harmoniques du rang supérieur, ce qui se reflète a priori par une amélioration de rendement et de la compacité de la machine.

C’est en ce sens qu’une particularité de la nouvelle machine a été conçue: plusieurs degrés de liberté permettant de gérer le couple fourni par la machine et établir des nouvelles lois de contrôle, notamment lors de la saturation en tension en haute vitesse. Historiquement, on peut retrouver des machines polyphasées avec des grandeurs électriques sinusoïdales et une alimentation sinusoïdale générant un couple de bonne qualité avec un contrôle vectoriel. Ces machines utilisent un seul harmonique du courant et donc ne permettent pas d’explorer les potentialités des machines polyphasées et l’impact des degrés de liberté supplémentaire.

Table des matières

Introduction
1 Outils de modélisation des entraînements polyphasés
1.1 Introduction et positionnement du travail
1.1.1 Choix du nombre de phases de la machine
1.1.2 Particularité de la nouvelle machine par rapport aux solutions polyphasées existantes
1.1.3 Impact de la nouvelle particularité sur les pertes dans la machine
1.2 Décomposition multi-machine d’une machine à pôles lisses
1.2.1 Machines concernées par la décomposition multi-machine: hypothèses
1.2.2 Équations magnétiques et électriques des machines polyphasées
1.2.2.1 Définition de la base statorique du système
1.2.2.2 Équations magnétiques dans la base statorique
1.2.2.3 Équations magnétiques dans la base statorique
1.2.3 Matrice d’inductance exprimée dans la base statorique
1.2.4 Matrice d’inductance exprimée dans la base de découplage
1.2.5 Sous-espaces orthonormés dans la base de découplage
1.2.6 Machines fictives et répartition des harmoniques sur les espaces fictifs
1.2.6.1 Répartition du couple entre les espaces fictifs
1.2.6.2 Famille des harmoniques de la force électromotrice associée à chaque machine fictive
1.2.6.3 Harmoniques du rang minimal de chaque machine fictive
1.2.6.4 Transformation de Park de la machine polyphasée
1.3 Adaptation de la structure de l’entraînement électrique avec les avantages attendus
1.3.1 Définition des paramètres relatifs à la structure statorique
1.3.1.1 Type de bobinage de la machine
1.3.1.2 Combinaison encoches/pôles utilisée
1.3.1.3 Matrice de fonction de bobinage
1.3.1.4 Matrice de la distribution de bobinage
1.3.1.5 Lien entre la matrice de distribution de bobinage et le facteur de bobinage
1.3.1.6 Classification des combinaisons encoches/pôles selon le facteur de bobinage
1.3.1.7 Classification des combinaisons encoches/pôles selon l’ondulation et la qualité de couple
1.3.1.8 Classification des combinaisons encoches/pôles selon la tendance à générer des courants induits
1.3.2 Topologie rotorique de la machine
1.4 Effet de commutation des pôles et extension de la plage de la vitesse: État de l’art
1.4.1 Changement de connexion de bobinage
1.4.2 Changement de polarité de la machine
1.5 Conclusion
2 Conception des structures rotoriques à aimants permanents déposés en surface à double polarité
2.1 Introduction Générale
2.2 Influence des paramètres de la machine sur la caractéristique couple/vitesse d’une machine à aimants déposés: cas des machines avec faible réaction d’induit
2.2.1 Hypothèses et définitions
2.2.1.1 Hypothèses concernant la structure et la commande des machines étudiées
2.2.1.2 Points particuliers de la caractéristique couple/vitesse
2.2.2 Etude des paramètres influençant la performance d’une machine triphasée
2.2.2.1 Influence de la structure de bobinage sur la caractéristique couple/vitesse d’une machine triphasée couplée en étoile
2.2.2.2 Application sur des machines avec Spp différents
2.2.2.3 Cas d’une machines triphasée avec des phases indépendantes
2.2.3 Impact des paramètres des machines fictives sur la caractéristique couple/vitesse d’une machine pentaphasée
2.2.3.1 Paramètres nécessaires à l’étude des caractéristiques couple/vitesse pour la machine 5-phases
2.2.3.2 Problème d’optimisation adaptés pour la recherche des points particuliers
2.2.3.3 Résolution des problèmes d’optimisation
2.2.4 Examen de la capacité des différentes combinaisons encoches/pôles à obtenir des constantes du temps équivalentes des machines fictives: Positionnement du bobinage 20/8
2.2.4.1 Calcul de la matrice d’inductance d’entrefer dans le repère de découplage
2.2.4.2 Classification des différentes combinaisons encoches/pôles selon le rapport l3 l1
2.3 Structures rotoriques à aimants déposés en surface à double polarité
2.3.1 Adaptation de la couche d’aimants avec le bobinage 20 encoches/8pôles
2.3.1.1 Définition de la fonction d’aimantation
2.3.1.2 Lien entre la fonction d’aimantation et la force électromotrice
2.3.1.3 Couche d’aimants déposés à aimantation radiale
2.3.1.4 Solutions dans le cas des aimantations parallèles
2.3.2 Caractérisation et comparaison avec une machine 20encoches/4pôles/5 phases Spp = 1
2.3.2.1 Matrice d’inductance de la machine et constantes des temps des machines fictives
2.3.2.2 Validation par éléments finis de la force électromotrice
2.3.2.3 Évaluation du couple de détente de deux machines
2.3.2.4 Densité du courant et ondulation du couple pour les deux machines dans l’hypothèse MTPA
2.4 Évaluation des pertes dans les aimants dans la machine 20/8
2.4.1 Importance d’étude des pertes dans les aimants
2.4.2 Modèle des pertes dans les aimants résultants des effets des encoches
2.4.2.1 Calcul de la fonction de perméance et induction magnétique rotorique
2.4.2.2 Estimation analytique et numérique des pertes dues aux effets de denture
2.4.3 Modélisation des pertes des aimants dues à la force magnétomotrice
2.4.3.1 Contenu harmonique de la force magnétomotrice suite à une alimentation par un harmonique du courant temporel
2.4.3.2 Procédure du calcul analytique des pertes dans les aimants
2.4.3.3 Comparaison au niveau des pertes des aimants entre les deux machines 20/8/5 et 12/8/3: Validation par éléments finis des résultats
2.4.4 Loi de comportement des pertes dans les aimants dans la zone de défluxage
2.4.4.1 Pertes dans les aimants en alimentant la machine principale
2.4.4.2 Pertes dans les aimants en alimentant la machine secondaire
2.4.4.3 Pertes dans les aimants en alimentant les deux machines fictives
2.4.4.4 Variation des pertes dans les aimants en fonction de la vitesse de rotation
2.5 Caractéristiques couple/vitesse de la machine 20/8/5 à aimants déposés
2.5.1 Enveloppe des caractéristiques couple/vitesse de la machine
2.5.1.1 formulation de problème d’optimisation
2.5.1.2 Résolution de problème d’optimisation correspondant à la recherche de l’enveloppe des caractéristiques couple/vitesse
2.5.2 Détermination de la caractéristique couple/vitesse pour une puissance constante
2.5.2.1 Résolution de problème d’optimisation correspondant à une puissance constante à haute vitesse
2.5.2.2 Évaluation des pertes dans la machine dans la zone de puissance constante
2.5.3 Nouvelle stratégie de contrôle : Maximum Torque Per Primary Machine
2.5.3.1 Formulation de problème d’optimisation correspondante à la nouvelle stratégie d’alimentation
2.5.3.2 Résolution de problème d’optimisation correspondante à la stratégie MTPPM
2.5.3.3 Évaluation des pertes totales dues à la stratégie MTPPM et comparaison au niveau du rendement
2.6 Conclusion
3 Conception des structures rotoriques à aimants permanents enterrés à double polarité
Conclusions 

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