Prédimensionnement de machines synchrones à aimants permanents

À l’image du Mondial de l’automobile de Paris de 2010, l’industrie automobile connait un tournant mis en avant par les nombreux projets de véhicules incluant une motorisation électrique. Supplantées par le moteur à combustion, au cours du XXème siècle, les motorisations électriques dédiées à la traction automobile connaissent aujourd’hui un regain d’intérêt notamment lié au coût du pétrole et à l’évolution des moyens de stockage. Ajouté à cela, les récentes et futures normes environnementales sur les rejets polluants, les véhicules hybrides (moteurs thermique et électrique) et les véhicules tout électrique semblent être des solutions viables à court et moyen terme. Une automobile peut être considérée comme un système complexe. En effet, l’énergie nécessaire à son déplacement et les moyens de conversion et de commande sont nécessairement embarqués. Ainsi pour le concepteur, cette complexité se traduit par le fait qu’un véhicule quelle que soit son énergie (pétrole et/ou électricité), est sujet à de nombreuses conciliations notamment entre son coût et son agrément de conduite. En ce qui concerne plus particulièrement les applications tout électrique, un compromis important concerne les performances et l’autonomie. Lors de ces dernières décennies, les évolutions conjointes de l’électronique de puissance et des machines électriques, en termes de performances et de fiabilité, ont offert de multiples possibilités de conversion électromécanique pouvant être appliquées à l’automobile. En effet, l’électronique industrielle présente de nouvelles perspectives en vue du pilotage des machines électriques liées au développement des performances des interrupteurs de puissance de type MOSFET et IGBT, mais aussi grâce à de nouvelles lois de commande. En ce qui concerne les machines électriques, de nouvelles solutions liées notamment à une évolution permanente des matériaux magnétiques, de leur perméabilité, de leurs pertes et de leur conductivité thermique permettent une augmentation de leurs performances et un essor de leurs domaines d’application. Par le développement de nouveaux matériaux comme les aimants permanents disponibles à grande échelle, le domaine de la conception de machine dispose de nouvelles fonctionnalités.

Ces travaux de thèse s’intègrent dans le cadre du projet Hydole concernant un véhicule hybride à dominante électrique. La machine électrique doit alors répondre à plusieurs fonctions :
◦ Assister le moteur à combustion d’un véhicule automobile afin d’en réduire la consommation et les émissions de CO2, sans compromettre l’agrément de conduite.
◦ Restituer à la source autant d’énergie électrique que possible lors des phases de décélération ou de freinage.
◦ Assurer seule la mobilité du véhicule, en particulier en zone urbaine ou périurbaine.
◦ Permettre, si le véhicule est conçu en ce sens, des services additionnels, telle qu’une fonction quatre roues motrices partielle ou une compensation des ruptures de couple lors des changements de rapport de boite de vitesse.

L’automobile une nécessité mais des contraintes

L’automobile, inventée au XIXème siècle, est une avancée technologique majeure conçue pour remplacer l’animal et assurer le déplacement de l’être humain. À cette époque l’automobile traduisait déjà un réel signe de richesse et de réussite. Bien que l’apparition de l’automobile s’impose comme le principal moyen de locomotion, l’action du déplacement par un système mécanique nécessite la consommation d’huile et de carburant. De même, depuis plusieurs années, le secteur automobile doit également satisfaire à des contraintes environnementales de plus en plus restrictives.

L’automobile une nécessité mais aussi un indicateur de richesse

Comme décrit précédemment, l’automobile a toujours été apparentée à un signe de réussite manifeste. Dans la société actuelle, l’automobile s’apparente d’avantage à une nécessité en raison du développement démographique de la population. Néanmoins, elle traduit toujours une notion de richesse, à taille humaine par le choix d’un modèle, mais également à l’échelle d’un pays par l’observation de son parc automobile qui agit comme un indicateur du développement. Pour preuve, la Banque Mondiale [Ban] recense le nombre de véhicules pour 1000 individus en fonction du revenu national brut par habitant (Figure 2) permettant d’évaluer son niveau de richesse.

En effet, outre l’achat du véhicule, il faut également être en mesure d’assurer son entretien et de l’alimenter en carburant. La notion de carburant est essentielle car, ces dernières années, son prix n’a cessé de connaître de brusques variations : son coût étant directement calqué sur celui du baril de pétrole.

Bien que le développement économique d’un pays puisse être caractérisé par son parc automobile, le véhicule apparaît, de nos jours, d’avantage comme une nécessité que comme une marque de richesse. L’augmentation prévisible du coût des carburants et la nécessité de réduire les gaz à effet de serre induisent deux contraintes pour le développement mondial du véhicule conventionnel.

L’automobile : deux contraintes majeures 

Contraintes économiques 

Sans parler de raréfaction, le pétrole est aujourd’hui plus délicat à extraire notamment en raison de gisements toujours plus profond mais également par la présence des zones d’extraction dans des milieux de plus en plus hostiles. De plus, le développement et l’industrialisation de grands pays tels que l’Inde, le Brésil et surtout la Chine tendent au déséquilibre de l’offre et de la demande.

La source de cette analyse est issue d’un rapport du ministère de l’économie, des finances et de l’industrie décrivant l’évolution estimée du parc automobile entre 2007 et 2020 de plusieurs pays .

Contrainte écologique 

Concernant l’aspect écologique, les premières avancées concrètes datent du début des années 90, avec l’instauration de la norme Euro1 qui aspire à uniformiser, pour les pays de l’Union Européenne, la composition des gaz d’échappement en partie responsable de l’effet de serre. Plusieurs évolutions de cette norme se sont succédées jusqu’à la norme Euro 6 mise en place au 1er septembre 2015 [Eur07]. Ces normes tendent à réduire, encadrer et limiter la composition des émissions polluantes. Celles-ci concernent trois catégories de gaz : le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les hydrocarbures (HC). À cela s’ajoute les teneurs limites des particules rejetées(PM).

En effet, pour tous les polluants cités précédemment, il est constaté une diminution supérieure à un rapport 5 entre les normes Euro1 et la norme Euro6. Par ailleurs, l’évolution de la norme « Euro »  ainsi que les valeurs limites associées (Tableau II) dans le cas des véhicules essences démontrent une évolution moins drastique des émissions que pour les véhicules diesels. D’ailleurs, les limites concernant les rejets sont identiques entre les normes Euro5 et Euro6.

Intérêt des véhicules hybrides et électriques 

Au regard de l’aspect économique peu favorable concernant l’évolution du prix du baril de pétrole, il semble nécessaire de se diriger vers une dépendance moins forte aux produits pétroliers, passant aujourd’hui par une réduction de la consommation. Afin de répondre aux problèmes engendrés par cette configuration, le développement de véhicules hybrides électriques et de véhicules électriques semble être une solution à court et moyen terme. De même, ces technologies permettraient de satisfaire aux contraintes environnementales toujours plus drastiques en limitant les rejets de gaz polluants. En effet, le comportement des véhicules sur route peut être directement représenté par la mesure des émissions polluantes, ces dernières étant sévèrement réglementées.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : État de l’art des motorisations électriques pour l’automobile – Projet Hydole
I.1 L’automobile une nécessité mais des contraintes
I.2 Cycles de caractérisation des véhicules
I.3 Analyse des différentes technologies des véhicules à moteur électrique
I.4 Emplacement de la machine électrique
I.5 Machines électriques pour la motorisation automobile
I.6 Projet Hydole : cahier des charges et contraintes
I.7 Conclusion
Chapitre II : Prédimensionnement de machines synchrones à aimants permanents
II.1 Approche par prédimensionnement
II.2 Cycle de référence
II.3 Classification des points du cycle sous la forme de grappes
II.4 Schéma vectoriel complet de la machine synchrone à aimants
II.5 Schéma vectoriel simplifié
II.6 Classification des machines synchrones à aimants permanents
II.7 Démarche d’optimisation
II.8 Conclusion
Chapitre III : Définition et modélisation par les éléments finis de la machine double aimant
III.1 Introduction
III.2 Structure du rotor de la MSAP
III.3 Structure du stator et du bobinage de la MSAP
III.4 Définition des matériaux de la MSAP
III.5 Modèle éléments finis de la machine double aimant
III.6 Détermination des paramètres électromagnétiques
III.7 Conclusion
Chapitre IV : Modélisation analytique de la machine double aimant
IV.1 Introduction à la modélisation analytique
IV.2 Formules de l’électromagnétisme
IV.3 Modèle analytique linéaire de la machine double aimant
IV.4 Évaluation du couple électromagnétique
IV.5 Modèle analytique en saturé
IV.6 Modélisation analytique des fuites d’encoches
IV.7 Évaluation des grandeurs électriques
IV.8 Modélisation des pertes Joule et des pertes fer
IV.9 Évaluation du rendement
IV.10 Conclusion
Chapitre V : Validation expérimentale des modèles
V.1 Introduction
V.2 Description de la maquette
V.3 Évaluation des paramètres électromagnétiques
V.4 Relevés à vitesse fixe
V.5 Comparaison des modèles à vitesse variable
V.6 Conclusion
Chapitre VI : Optimisation du modèle de la machine double aimant
VI.1 Introduction
VI.2 Conception par optimisation
VI.3 Démarche et méthode d’optimisation
VI.4 Optimisation mono-objectif
VI.5 Optimisation bi-objectif
VI.6 Vérification des performances de la machine optimale
VI.7 Conclusion
Conclusion générale

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