Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser

27/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-2:19608
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Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser

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REE N°2/2012 ◗ 57 La nouvelle révolution des moteurs électriques Daniel Roger1,2 , Farid MeiBody-Tabar3 1 Univ. Lille Nord de France, Lille 2 UArtois, LSEE Béthune 3 Univ. de Lorraine, GREEN, Nancy Introduction Presque toutes les machines électriques utilisent le même principe physique basé sur les variations de l’énergie magnétique stockée dans l’entrefer séparant le stator du rotor. Une explication générale assez sim- ple permet de comprendre les limites des machines actuelles et les améliorations possibles. L’énergie magnétique stockée dans la machine dépend d’une manière générale de l’ensemble des courants dans les différentes bobines, de la position du rotor et des matériaux utilisés au rotor et au stator ainsi que leurs formes et dimensions géométriques. Le couple résul- tant des forces appliquées sur le rotor correspond à la dérivée de la coénergie1 par rapport à la position du rotor à courants fixés dans les bobines. La théorie des machines électriques montre que les deux paramè- tres critiques pour dimensionner une machine sont l’induction maximale (B) dans l’entrefer, limitée par la saturation des matériaux magnétiques et la densité de courant maximale qu’il est possible de faire passer dans les conducteurs, limitée par la température maxi- male autorisée selon le mode de refroidissement. Le principe physique exposé est valable pour la plupart des machines. Il existe deux exceptions nota- bles : les machines électrostatiques et les machines piézo-électriques. Les premières utilisent le champ électrique à la place du champ magnétique comme grandeur de stockage de l’énergie dans une zone équivalente à l’entrefer [1] ; les secondes sont ba- sées sur des propriétés mécaniques spécifiques que possèdent certaines céramiques qu’il convient d’ali- menter correctement pour leur imposer des champs électriques adaptés [2]. Ces machines correspondent à un nombre limité d’applications et pour des puissan- ces très faibles dans une gamme allant de quelques microwatts à quelques centaines de milliwatts. L’alimentation par des convertisseurs statiques des machines électriques modernes donne de nouveaux degrés de liberté autorisant un choix plus vaste parmi les structures classiques (machines synchrones et asynchrones) et aussi moins classiques (machines à réluctance variable, excitée ou non excitée). Ces de- grés de liberté peuvent être aussi utilisés pour op- timiser, en termes de coût et/ou de performances, l’ensemble de la chaîne de conversion électromécani- que d’énergie, allant de la source électrique à la char- Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser Electrical machines exist in our everyday live for more than a century, they have long been designed as motors or generators operating at constant speed in a relatively standardized environment: the mechanical systems had to adapt to the electrical machines. Nowadays, the scope has expanded significantly; electric motors associated converters are increasingly integrated in various mechanical systems. The paper describes the issues of modern electrical machine design by showing the potential improvements in various areas: high speeds, high torques, high temperatures and the necessary adaptation to the new constraints imposed by power conver- ters. For designing these new machines it is necessary to develop numerical tools that can better describe the complex physical phenomena and to adopt more environmentally friendly design approaches. abstract 1 La coénergie est définie par ; et sont l’induction et le champ locaux en un point dans un élément de volume dv de la machine ; ils dépendent naturellement de tous les courants dans les différents circuits de la machine et de la position du rt de rotor par rapport au stator (θ). Elle permet de calculer le couple généré par la machine 58 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques ge mécanique tout en intégrant les contraintes spécifiques imposées par chaque application. Pour accroître la compacité des machines électriques, on peut augmenter le nombre des paires de pôles ou accroître leur vitesse en les associant à des réducteurs de rapports élevés. Dans les deux cas, la fréquence des courants impo- sés par les convertisseurs statiques alimentant la machine augmente, ce qui entraîne aussi l’augmentation de la fré- quence de découpage de leurs composants et donc leurs pertes par commutation. La solution pour réduire ces pertes est d’accroître la vitesse de commutation des composants, mais cela conduit à des valeurs élevées de dV/dt imposées aux bobinages de la machine, entraînant ainsi des contrain- tes électriques supplémentaires et de nouveaux problèmes liés à l’augmentation des courants de mode commun. Même si lors de l’optimisation des machines électriques les prin- cipales contraintes demeurent magnétiques, thermiques et mécaniques, de nouvelles contraintes de nature électrique, liées à l’alimentation par électronique de puissance s’impo- sent aux machines électriques modernes. Vers les hautes vitesses Pour obtenir des puissances massiques importantes, les lois de la physique plaident en faveur des machines électri- ques tournantes rapides. En effet, pour une géométrie don- née, la densité de courant maximale dans les conducteurs, l’induction maximale dans l’entrefer et la surface où le stator et le rotor sont en regard l’un de l’autre déterminent la va- leur du couple électromagnétique. Toutes choses égales par ailleurs, la puissance mécanique est donc proportionnelle à la vitesse de rotation, donc à la fréquence d’alimentation. Depuis une trentaine d’années, la limite en vitesse impo- sée par la fréquence du réseau est repoussée par l’utilisation de convertisseurs électroniques ; en conséquence, le champ d’application est étendu à des vitesses et des puissances plus élevées. Utilisées en moteurs, ces machines sont au cœur des compresseurs très compacts [3] qui peuvent être utilisés pour comprimer le gaz de ville et dans bien d’autres applica- tions. Utilisées en génératrices, elles permettent de faire des sources d’énergie électrique compactes qui utilisent du gaz comme énergie primaire. Pour des applications plus classiques où la partie méca- nique requiert des vitesses plus basses, la qualité croissante des réducteurs mécaniques permet d’envisager plus systé- matiquement l’association d’un moteur rapide et d’un réduc- teur pour diminuer de façon significative le volume de cet ensemble par rapport aux solutions plus classiques. Cette so- lution est particulièrement intéressante pour les actionneurs utilisés dans les systèmes embarqués (voitures électriques, avions plus électriques, ...). Il existe actuellement des machi- nes électriques qui dépassent les 50 000 tr/min, avec des guidages en rotation par roulements. Des vitesses plus éle- vées sont possibles mais elles requièrent des paliers à air ou des paliers magnétiques qui suppriment les contacts directs. Ces solutions permettent de réduire très fortement les pertes mécaniques, elles ouvrent donc des perspectives intéressan- tes de montée en vitesse et en puissance massique tout en améliorant la fiabilité et la durée de vie. Les limites mécaniques étant repoussées, les problèmes liés à la conception des circuits magnétiques capables de travailler à des fréquences élevées remontent au premier plan. En effet, les courants induits dans les tôles magnéti- ques s’opposent au champ magnétique principal comme le montre la figure 1 qui représente la coupe transversale d’une petite portion du circuit magnétique. Sur cette figure, l’induc- tion magnétique B est perpendiculaire au plan de coupe, les lignes de courant, tangentes en tout point au vecteur J re- présentant la densité de courants induits, sont schématisées par les pointillés. Les courants induits ont pour effet de créer un champ qui s’oppose au champ d’origine ce qui a pour conséquence de concentrer le champ magnétique résultant dans une épaisseur réduite, appelée épaisseur de peau sous la surface de chaque tôle. Lorsque le matériau est supposé linéaire et isotrope, il est possible d’évaluer l’épaisseur de peau δ en fonction de la perméabilité relative de la tôle µ, de la perméabilité du vide , de la conductivité électrique σ (S/m) des tôles et la fréquence ω = 2 πf par la formule : Pour réaliser les circuits magnétiques des machines rapi- des qui fonctionnent à des fréquences élevées, il faut donc choisir des tôles magnétiques très fines ; leur perméabilité magnétique ne doit pas être trop élevée et la conductivité électrique doit être aussi faible que possible pour que l’épais- seur de peau δ reste significative par rapport à la moitié de l’épaisseur de chaque tôle. L’ajout de silicium dans le fer di- Figure 1 : Courants induits dans les tôles magnétiques et effet de peau. REE N°2/2012 ◗ 59 Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser minue la conductivité électrique, certains traitements métal- lurgiques agissent sur la perméabilité magnétique. Tous ces paramètres sont le fruit de compromis, les métallurgistes tra- vaillent à mettre au point des nuances de tôles magnétiques FeSi adaptées, mais l’influence des courants induits reste la principale limite à la montée en fréquence des machines construites avec un circuit magnétique feuilleté. Il faut ce- pendant noter que la fréquence intervient au dénominateur d’une formule qui comporte une racine carrée, cela signifie que lorsque l’on parvient à diviser par deux l’épaisseur des tôles, on multiplie par quatre la limite en fréquence. Le concept d’épaisseur de peau n’impose pas une limite au sens strict du terme, le concepteur de la machine peut accep- ter une section effective du fer réduite et calculer le nombre de spires de sa machine avec cette nouvelle section effective. Il est à souligner que l’alimentation par onduleur de tension des machines à hautes fréquences modifie le contenu harmoni- que de la tension de l’alimentation, ce qui augmente les pertes fer. Pour limiter ces pertes, on est amené à considérer la valeur efficace de la tension et non pas son fondamental dans l’esti- mation de l’induction imposée dans la machine. Dans les ma- chines excitées à hautes fréquences (grande vitesse ou grand nombre de pôles), il est nécessaire de dimensionner la ma- chine de sorte que la variation de l’induction B dans différents point du circuit magnétique soit la plus sinusoïdale possible car les courants induits localement dans le fer sont proportionnels à et les pertes associées à . Pour cela il faut que la répartition d’induction dans l’entrefer soit la plus sinusoïda- le possible, sinon on doit diminuer le niveau d’excitation dans la machine conduisant à l’augmentation des courants statori- ques et donc les pertes Joule dans les bobinages d’induit. Pour monter en fréquence, il est également possible d’uti- liser des circuits magnétiques frittés à base de poudres de fer, cette solution permet d’avoir une conductivité plus faible à condition d’accepter une induction réduite et des caractéris- tiques mécaniques très inférieures à celles des empilements de tôles. Lors de la conception de ces machines, l’ensemble de ces compromis conduit à un couple massique plus faible que pour une machine classique conçue pour fonctionner à 50 Hz, mais le gain produit par l’augmentation de la vitesse apporte une puissance massique nettement plus forte. Vers les températures internes élevées Les bobinages actuels sont, pour la plupart, isolés avec des polymères issus de la chimie organique. Le fil émaillé standard est en fait un produit très technique, il est le fruit de passages multiples dans des fours verticaux d’environ 20 mètres de hauteur qui assurent la polymérisation de chaque couche. Le fil émaillé le plus courant est fabriqué avec plusieurs couches de polyesterimide qui lui donnent ses propriétés électriques, et de quelques couches de poly- amide imide qui apportent les caractéristiques mécaniques nécessaires au passage dans les machines automatiques de bobinage. L’ensemble du processus requiert 10 à 12 passa- ges dans le four à émailler. Les couches isolantes forment une surépaisseur totale de 35 µm environ pour un fil de 0,95 mm de diamètre  ; la norme impose une épaisseur d’isolant différente pour chaque diamètre du fil. La principale caractéristique d’un fil émaillé est sa classe thermique qui cor- respond à une température maximale d’utilisation pour une durée de vie prévisionnelle de 20 000 h. La plupart des fils utilisés pour fabriquer des moteurs sont de classe 210 °C ; les meilleurs polymères actuels disponibles sur le marché sont les polyimides de classe 240 °C. Côté constituants magnétiques, il existe sur le marché des tôles recouvertes d’une couche isolante inorganique qui résiste au recuit de l’acier magnétique. Les aimants les plus performants à base de néodyme-fer-bore ont des limi- tes thermiques assez basses, mais il existe des solutions de substitution basées sur le samarium-cobalt. La limite en tem- pérature des machines électriques actuelles est donc claire- ment liée à la classe de température des fils émaillés et des vernis d’imprégnation utilisés pour réaliser les bobinages. Pour ouvrir la porte plus franchement vers les hautes tem- pératures et les fortes puissances massiques, il est néces- saire de dépasser les limites imposées par les polymères. L’utilisation de matériaux non-organiques est envisageable à condition d’accepter une certaine remise en cause du confort apporté par les très bonnes performances électriques et mé- caniques des polymères. Dans cette perspective, de très lar- ges possibilités sont ouvertes car les céramiques sont stables jusqu’à des températures qui dépassent le point de Curie des matériaux magnétiques usuels. Leur utilisation déplacerait le verrou technologique vers un autre domaine (mécanique ou magnétique). Avec des isolants qui acceptent des températu- res plus élevées, il sera possible d’augmenter de façon signi- ficative le flux thermique qui permet d’évacuer les inévitables pertes joules qui existent dans les bobinages, et de concevoir des machines électriques qui travaillent avec des densités de courant plus élevées. Il sera également possible de pla- cer des machines dans des environnements qui leur sont encore actuellement interdits, ce qui ouvre des perspectives nouvelles en matière d’applications comme les systèmes de ventilation qui doivent rester actifs pendant les incendies ou les générateurs électriques montés près des réacteurs des avions. 60 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques Le défi technologique principal consiste à maîtriser la conception et la réalisation des bobinages mettant en œuvre de tels matériaux inorganiques en trouvant des solutions aux problèmes thermomécaniques qui se posent, et en définis- sant les paramètres électriques acceptables dans les nouvel- les conditions d’utilisation. Des choix parmi la large gamme de céramiques existantes seront nécessaires. Le bobinage sera placé au cœur de la démarche de conception en adap- tant les formes et les propriétés des circuits magnétiques aux caractéristiques des nouvelles bobines. Réponse aux contraintes imposées par des convertisseurs électroniques modernes Les onduleurs actuels sont réalisés avec des IGBT per- formants en termes de vitesse de commutation, les faibles pertes à la commutation offrent la possibilité d’une bonne compacité de l’ensemble module IGBT – dissipateur. Le carbure de silicium (SiC) apparaît sur le marché des semi- conducteurs, ce matériau a d’excellentes propriétés intrin- sèques : large bande interdite, forte mobilité des porteurs, bonne conductivité thermique. Ces propriétés permettent de fabriquer des interrupteurs électroniques plus rapides que les IGBT classiques au silicium avec une chute de tension rédui- te, donc des pertes très faibles. En contrepartie, les bobina- ges des machines alimentées par les convertisseurs réalisés avec des composants SiC subissent des fronts de tension plus raides (dV/dt élevés), donc des contraintes plus sévères sur son système d’isolation électrique (SIE) [4]. Pour répondre à ces défis, il est nécessaire d’analyser fi- nement le comportement transitoire des bobinages des ma- chines lorsqu’ils sont soumis à de tels fronts de tension. La figure 2 représente la tension relevée aux bornes d’une bobine élémentaire de 41 spires, isolée dans le bobinage d’un stator [5]. Cette bobine est connectée à un générateur d’impulsion rapide par un câble standard de deux mètres de longueur. Le générateur impose des impulsions d’amplitude 300 V dont le temps de montée est 10 ns ; l’axe vertical est gradué en gran- deur relative par rapport à l’amplitude de l’impulsion. Cette figure montre que la bobine subit un régime tran- sitoire rapide qui contient une pointe de tension qui atteint 170  % de la tension continue qui alimente le générateur. Rappelons que le bus continu est à 560 V sur la plupart des convertisseurs du commerce et que ces phénomènes se répètent à la fréquence de plusieurs kilohertz imposée par le découpage. Les SIE des machines industrielles sont donc soumis très fréquemment à des pointes de tension qui attei- gnent 950 V environ. Les contraintes très fortes reçues par les bobines se ré- percutent sur l’isolation inter-spires car, pendant les transitoi- res, les tensions ne se répartissent pas régulièrement entre les spires. Si aucune précaution particulière n’est prise, ces contraintes créent des champs électriques intenses dans les inévitables vacuoles microscopiques qui subsistent au cœur des bobinages. A partir d’un certain seuil de champ, des dé- charges partielles (DP) apparaissent dans les vacuoles, chaque DP correspond à l’ionisation brutale des molécules d’air d’une vacuole ce qui provoque un point chaud microscopique et un bombardement ionique de la surface interne de la vacuole, donc une attaque du vernis qui isole le fil. Les fils émaillés classiques fabriqués avec des polymères supportent mal ces contraintes, et des ruptures locales de l’isolation inter-spires se produisent après un temps de fonctionnement réduit. Pour éviter le vieillissement prématuré du SIE des machi- nes alimentées par des convertisseurs statiques modernes, trois solutions sont possibles : • introduire un filtre entre le convertisseur et la machine pour limiter les dV/dt ; • utiliser des fils corona résistants, capables de mieux suppor- ter les attaques des DP ; • réaliser des bobinages ordonnés pour répartir les contrain- tes en tension lors des régimes transitoires. La première solution est classique, mais elle requiert des composants supplémentaires (inductances, condensateurs, résistances) qui ont un coût, une masse, et qui introduisent des pertes supplémentaires ; les inductances du filtre doi- vent être soignées car les contraintes en dV/dt sont partielle- ment reportées sur elles. La seconde solution n’élimine pas le problème, elle consiste à vivre avec ; le fil corona résistant supporte mieux les DP car le vernis organique utilisé pour le fabriquer est chargé de microparticules minérales de silice qui augmentent la durée de vie en présence de décharges partielles [6]. La troisième solution est basée sur une analyse fine des contraintes subies par l’isolation inter-spires pendant les quelques centaines de nanosecondes qui suivent le front Figure 2 : Tension relevée sur une bobine de 41 spires [V. Mihaila]. REE N°2/2012 ◗ 61 Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser raide. Des travaux récents ont permis de développer un outil de simulation capable de prédéterminer les contraintes sur l’isolation inter-spires pour diverses solutions de bobinage [7]. Cet outil a été utilisé pour analyser le comportement transi- toire d’une bobine de 34 spires réalisée avec du fil émaillé standard de 0,85 mm de diamètre, la contraintes maximale subie par l’isolation inter-spires passe de 78 % de la tension du bus continu pour un bobinage classique en couches à 34 % de cette tension en choisissant le pas de pèlerin pour un volume de bobinage identique. La figure 3 représente schématiquement la coupe d’un côté de la bobine pour les deux solutions de bobinage ; les numéros représentent l’or- dre des spires, les cercles grisés permettent de localiser la contrainte maximale subie par l’isolation inter-spires. Vers une démarche d’éco-conception des motorisations électriques Lors de la démarche de conception des machines électri- ques, des choix sont nécessaires ; ils répondent à des critères qui varient en fonction des objectifs assignés. Par exemple, lorsque la puissance massique est une priorité́, la démarche de conception produit des machines très compactes mais au prix d’un rendement moindre. Lorsque le but est d’obtenir un rendement maximal, les choix de dimensionnement condui- sent à des machines un peu plus volumineuses qui peuvent bénéficier du label IE3 de la norme IEC 60034-30 permet- tant de les classer dans la catégorie «Premium efficiency». Il existe des solutions innovantes qui mettent en œuvre des tôles à grains orientées capables de réduire nettement les pertes fer et donc de gagner en rendement [8]. Cette démarche classique peut être élargie en prenant en compte le cycle de vie complet de la machine, de sa fabrication à son démantèlement, en prenant en compte les conditions réelles de son fonctionnement imposées par son contexte applicatif [9]. On parle d’éco-conception lorsque le bilan global intègre l’ensemble des coûts environnementaux, pas seulement l’énergie. Le tableau 1 énumère les 10 critères retenus par la méthode développée par l’institut des Scien- ces Environnementales (CML) de l’université́ de Leiden, aux Pays-Bas, en 1992 et révisée en 2000, qui fait maintenant référence en ce qui concerne l’Analyse du Cycle de Vie (ACV) des produits industriels. Ainsi l’ACV considère trois temps de la vie d’un objet in- dustriel : • sa fabrication, c’est-à-dire le coût environnemental des ma- tériaux et des outils de production ; • sa phase d’usage, c’est-à-dire le cumul des pertes compte tenu du fonctionnement réel du moteur (l’énergie utile n’est pas comptabilisée) ; • la fin de vie, c’est-à-dire le coût environnemental du dé- mantèlement et de recyclage plus ou moins complet de ses composants. Pour appliquer cette méthode aux motorisations électri- ques, il faut d’abord évaluer les masses des divers consti- tuants de la machine (fer, cuivre, aluminium, isolants, matières plastiques diverses) et les coûts environnementaux de production. Pour la seconde phase, le rendement éner- gétique – qui prend en compte la charge réelle, le temps de fonctionnement et des phases de démarrage – est la don- née-clé ; cette quantité est bien souvent très inférieure au Figure 3 : arrangement des spires permettant de limiter les contraintes sur l’isolation inter-spires [V. Mihaila]. 62 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques rendement optimal annoncé par les constructeurs. Le coût environnemental de la troisième phase dépend essentielle- ment du circuit de recyclage utilisé. L’ACV peut, par exemple, être utilisée pour choisir le meilleur moteur standard possible pour une utilisation don- née. La figure 4 illustre le cas d’une charge qui demande 11 kW en service continu pendant 10 ans, les jours ouvrables [10]. L’ACV a été faite avec le logiciel SIMAPRO et les don- nées du catalogue Leroy-Somer en considérant la produc- tion française d’électricité, qui comprend une part nucléaire importante, et un scénario standard de recyclage partiel des matériaux après le démantèlement. La solution évidente qui consiste à choisir une machine de 11 kW (courbe noire) est comparée à un autre choix possible : un léger surdimension- Nom Unité Description 1 Ressources non renouvelables KgSbeq. Epuisement des ressources naturelles, traduit les consommations de minerais et de ressources fossiles, calculées en kg équivalent antimoine, en se basant sur les réserves disponibles 2 Acidification  Kg SO2 eq. Diminution progressive du pH des océans 3 Eutrophisation  Kg PO4 eq. Modification et dégradation d’un milieu aquatique, lié en général à un apport excessif de substances nutritives, qui augmentent la production d’algues et de plantes aquatiques 4 Dégradation de la couche d’ozone Kg CFC-11 eq. Appauvrissement de la couche d’ozone : 
méthode développée par WMO, World Meteorological Organization 5 Toxicité humaine Kg DB eq. Unité : masse équivalente de dichlorobenzène 6 Pollution des eaux douces Kg DB eq. Unité : masse équivalente de dichlorobenzène 7 Pollution des sols Kg DB eq. Unité : masse équivalente de dichlorobenzène 8 Pollution photochimique Kg C2 H4 eq. Formation d’oxydants photochimiques - Unité : kg éthylène. Substances à l’origine de la formation d’ozone (irritant) 9 IPCC sur 100 ans Tonne de CO2 eq. Effet de serre calculé par la méthode développée par l’IPCC qui établit une équivalence en gaz carbonique 10 Energie totale MJ Demande d’énergie cumulée pendant tout cycle de vie Tableau 1 : critères retenus pour l’ACV. Figure 4 : ACV comparative de deux machines pour une charge de 11 kW en service continu [W. Boughamni et al.]. REE N°2/2012 ◗ 63 Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser nement (courbe grise). Cette analyse montre que le surdi- mensionnement est meilleur pour tous les critères, sauf celui qui est fortement lié au recyclage des masses actives de la machine lors de son démantèlement. La figure 5 est le ré- sultat de l’ACV pour la même charge de 11 kW mais pour un fonctionnement intermittent avec démarrages avec un fac- teur de marche de 10 %. L’efficacité énergétique est calculée en prenant en compte les transitoires de démarrage pour une inertie globale égale à 10 fois le moment d’inertie du rotor de la machine standard de 11 kW. Cette analyse mon- tre que, dans ce cas précis, un léger sous-dimensionnement conduit à un meilleur bilan global pour sept critères sur les dix retenus par la méthode CML. Ces deux exemples simples montrent que l’ACV peut être utilisée simplement, sans entrer dans la démarche de conception proprement dite des machines, elle est égale- ment très utile pour élaborer les nouvelles machines à faible impact environnemental de demain, les pistes de développe- ment dans ce sens sont nombreuses : • l’utilisation de fils émaillés polymérisés par UV et fabriqués sans solvant ; • le thermocollage des enroulements en remplacement de l’imprégnation avec des vernis polluants ; • l’introduction des matières plastiques d’origine végétale pour fabriquer les parties non actives ; • l’utilisation de tôles magnétiques à grains orientés décalées qui limitent les pertes fer ; • le guidage en rotation par des roulements à haut rende- ment qui utilisent des revêtements céramiques ; • le remplacement du cuivre par l’aluminium plus facile à re- cycler en fin de vie. Chaque piste peut être une réponse intéressante dans le cadre d’une application donnée, et désastreuse pour une autre. Le cas du petit moteur du lève-vitre d’une voiture est très différent de celui d’une pompe industrielle par exemple. Dans le premier cas, le choix d’un bobinage en aluminium associé à un SIE qui accepte des températures élevées peut être globalement meilleur car le rendement est un critère se- condaire, compte tenu du temps cumulé de fonctionnement de ce moteur, alors que le même choix serait désastreux pour une pompe industrielle qui fonctionne en permanence pendant des années. Cas particulier des machines lentes à fort couple Les grandes éoliennes, les hydroliennes, les moteurs dédiés à la propulsion dont des applications en fort déve- loppement qui demandent des machines lentes à très forts couples [11]. Dans le monde de l’aéronautique, le green taxiing qui consiste à doter les roues des avions de moteurs électriques capables de fournir la puissance nécessaire à leur déplacement sur les aéroports sans utiliser les turbo- réacteurs, est une autre application en développement qui ouvre des perspectives de fortes économies de carburant Figure 5 : ACV comparative de deux machines pour une charge de 11 kW en service intermittent S4 – 10 % [W. Boughamni et al.]. 64 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques pour les vols courts au départ et à l’arrivée des grands aéro- ports [12]. Pour obtenir des puissances massiques importan- tes, ces machines sont souvent des machines synchrones à aimants avec un grand nombre de pôles. Avec de telles ma- chines et un diamètre raisonnable, il est impossible d’utiliser les bobinages répartis classiques car le nombre d’encoches du stator serait prohibitif. La solution consiste à travailler avec des stators possédant un nombre raisonnable de dents et une bobine par dent. L’analyse du fonctionnement d’une telle machine à bo- binage dentaire est assez complexe car les formes d’ondes des grandeurs caractéristiques du transfert de l’énergie dans l’entrefer ne sont plus sinusoïdales, l’analyse doit être éten- due aux harmoniques de ces grandeurs. Le nombre de dents du stator et le nombre de pôles du rotor doivent respecter certaines proportions pour que le transfert de puissance soit possible. Lors de la conception de ces machines, plusieurs points doivent être considérés pour éviter des conséquences pouvant causer des problèmes graves : • prendre des précautions nécessaires pour que les pertes dans les aimants ne soient pas excessives ; • éviter un taux d’ondulation du couple élevé pour soulager les accouplements, notamment dans les machines de forte puissance et basse vitesse ; • étudier de manière approfondie les forces radiales exercées au rotor et au stator afin d’éviter les modes vibratoires pou- vant être destructifs ou entraîner une nuisance acoustique non acceptable. Inversement, la longueur des têtes des bobines des ma- chines à bobinage dentaire est réduite ; le cuivre est mieux utilisé que dans les machines dotées de bobinages répartis classiques ; les pertes cuivre sont donc réduites. Les machi- nes bobinées par dents se prêtent bien à une construction automatisée des bobines en intégrant les critères particuliers qui leurs permettent de mieux supporter les contraintes im- posées aux SIE par les convertisseurs statiques ; les bobines peuvent être fabriquées indépendamment, puis imprégnées avant d’être montées sur les dents, l’aspect aléatoire des bo- binages en vrac est éliminé. Les avantages apportés par cette conception sont im- portants, ce type de machine tend à empiéter le domaine des vitesses plus classiques car, avec un plus grand nombre de pôles et une fréquence d’alimentation plus élevée, il est possible d’obtenir des puissances massiques beaucoup plus importantes que la solution classique à bobinage réparti. Ces machines, correctement modélisées et commandées, permettent également de faire des actionneurs plus fiables qui sont tolérants à certains défauts [13]. La robustesse des machines à réluctance variable peut également apporter des solutions adaptées dans certaines applications imposant des contraintes thermiques fortes ou nécessitant une inertie fai- ble [14]. Besoin de modèles numériques performants destinés à la conception des machines Le dimensionnement optimal d’une machine électrique dans son contexte applicatif requiert un certain nombre de modèles théoriques, principalement électromagnétiques et thermiques. Lors de la première phase de la conception, ces modèles sont souvent analytiques et indépendants les uns des autres ; ils incluent des éléments empiriques issus de l’expérience acquise. Les modèles numériques couplés, ca- pables d’affiner les résultats en calculant les inductions et les températures dans les points critiques, sont utilisés dans la phase finale de la conception. Les modèles numériques fins demandent des temps de calcul assez longs, car les maillages 3D sont lourds. Bien souvent le concepteur utilise les outils numériques pour étudier en détail certaines zones critiques et pour déterminer les contraintes locales ; cette démarche requiert une grande expertise pour préciser de façon réaliste toutes les conditions du calcul. Il existe des modèles capables de prendre en compte le cycle d’hystérésis des matériaux magnétiques [15] mais ils demandent encore un effort de calcul très important. Les logiciels d’électromagnétisme disponibles dans le commerce sont des outils d’aide à la conception indispensable mais ils ont leurs limites, ils prennent en compte l’aspect non linéaire de la caractéristique magnétique des matériaux dans le cœur de leurs simulations et ajoutent des pertes dans le fer en cha- que point lors du post-traitement en appliquant un modèle empirique. Les résultats ne sont en bonne concordance avec la réalité que lorsque les coefficients du modèle empirique sont bien définis lors d’une phase expérimentale. A l’heure actuelle, les modèles numériques n’intègrent pas les toléran- ces dimensionnelles des pièces mécaniques, ni les incerti- tudes sur les caractéristiques des matériaux qui composent les parties actives comme les caractéristiques des aimants par exemple. Les incertitudes sur certaines données d’entrée peuvent être importantes  ; des travaux de recherche sont en cours pour créer des méthodes numériques capables de traiter ces problèmes [16]. Les outils de simulation disponibles dans le commerce sont capables de faire des calculs très intéressants. Leur aide est précieuse lors de la conception d’une machine, mais leur utilisation doit être réservée aux ingénieurs qui ont un cer- tain recul sur la fiabilité et la performance globale du système. L’optimisation des machines de grandes séries doit considérer REE N°2/2012 ◗ 65 Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser les contraintes liées aux autres constituants du système, en intégrant la validation expérimentale sur un prototype comme une étape importante de la démarche d’optimisation [17]. Conclusion La conversion électromécanique d’énergie utilisant les ma- chines électriques existe depuis plus d’un siècle et s’est déjà imposée dans beaucoup d’applications (laminoirs, machines outils, traction ferroviaire, propulsion navale, pompes, venti- lateurs, compresseurs, …). Avec le développement de l’élec- tronique de puissance de plus en plus fiable, des organes de commande très performants et de nouveaux matériaux ma- gnétiques, électriques et isolants, les champs d’application des machines électriques se sont étendus considérablement compte tenu de leur contrôle simple et de leur rendement élevé. La réduction des gaz à effet de serre justifie l’utilisation de machines électriques dans de nouveaux domaines  : la conversion d’énergie renouvelable, le véhicule électrique ou hybride, l’avion plus électrique, ... Dans chaque domaine, des contraintes spécifiques (telles que coût, rendement, compa- cité, redondance ou tolérance aux défauts, fiabilité, tempé- rature ambiante élevée, …) sont imposées ; les machines sont de plus en plus intégrées dans l’objet qu’elles mettent en mouvement, elles embarquent souvent leur convertis- seur électronique de pilotage. Pour chaque application, il faut choisir une structure adaptée permettant d’intégrer les contraintes imposées par l’application. De ce fait il n’y a pas une structure de machine meilleure qu’une autre, mais seu- lement une structure bien adaptée à une application, dans son contexte technique, économique, humain et sociétal. Références [1] S. Wiak, P. Di Barba and A. 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Il assure les fonctions de directeur-adjoint du Laboratoire Systèmes Electrotechnique et Environnement (LSEE) situé à Béthune qui centre ses activités de recherche sur la surveillance des machines électriques par l’analyse des champs externes de faibles niveaux. Il participe à des programmes de recherche sur l’isolation des nouvelles machines électriques qui seront intégrées dans les avions de demain en partenariat avec les industriels de l’aéronautique. Farid Meibody-Tabar est ingénieur ENSEM en Génie Electrique (1982). Après avoir obtenu son doctorat de l’INPL en 1986 il est nommé maître de conférences en 1988 à l’INPL-ENSEM. Il est actuellement professeur des Universités à l’université de Lorraine ENSEM et il effectue ses travaux de recherche au Groupe de Re- cherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy (GREEN). Ces travaux concernent modélisation, conception et détection de défauts de machines électriques alimentées par convertisseurs électriques et sont développés en partenariat avec les centres de recherche et développement de grands groupes industriels liés à l’aéronautique et à la conversion d’énergie. les auteurs