Les moteurs à aimants permanents

27/08/2017
Auteurs : Régis Giraud
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-2:19609
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Les moteurs à aimants permanents

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REE N°2/2012 ◗ 67 La nouvelle révolution des moteurs électriques Régis Giraud Responsable commercial et marketing de la division Moteurs de Leroy-Somer La consommation d’électricité en Europe Les moteurs électriques représentent les deux tiers de la consommation électrique de l’industrie en Europe. Ils constituent par conséquent une cible toute désignée dans le contexte de la réduction des dépenses éner- gétiques et l’un des éléments de réponse aux objec- tifs environnementaux des gouvernements. Le marché européen annuel représente plus de six millions d’uni- tés avec une base installée de 120 millions sur le terrain, réparties dans diverses applications industrielles. Différentes raisons expliquent le niveau de consom- mation énergétique des moteurs électriques : • pertes Joule: ces pertes électriques, qui relèvent de la dissipation dans la résistance du stator (RI²), aug- mentent rapidement avec la charge du moteur ; • pertes magnétiques survenant au niveau des tôles du stator et du rotor. Elles sont dues aux pertes d’hystérésis et aux courants de Foucault et varient en fonction de la densité de flux et de la fréquence d’alimentation ; • pertes mécaniques dues aux frottements, aux rou- lements, à la ventilation et aux turbulences qui en découlent ; • pertes supplémentaires dues aux fuites, à une distri- bution de courant non homogène, à des imperfec- tions mécaniques au niveau de l’entrefer et à une densité de flux irrégulière dans l’entrefer ; Les moteurs à aimants permanents Representing 2/3 of the energy consumption in industry, electric motors have to be considered as key components for all major energy saving policies. The less energy we will need to drive our process, the best it will be for emissions reductions. Motors cannot be considered only as isolated products. They have to be integrated with components, such as inverters, that actively participate to energy savings. The “good old” induction motor is still the core of most applications, but the introduc- tion of integrated solutions, almost 15 years ago has converted more and more OEM’s to the variable speed use. The new European directive, requiring increasing efficiency level from IE1 to IE2 and later on to IE3 or IE2 + inverter in 2015, is a key market driver for all applications. Thanks to more and more advanced control technologies of inverters, the motors can be operated to target better performan- ces and higher efficiency. As an example, the behavior of permanent magnet motors has been improved as regards speed stability and starting torque, without sensor feedback. The use of permanent magnets allows decreasing the motor size, wei- ght and material contents, then improving significantly the Product Environment Profile. Leroy-Somer is fully committed to a comprehensive environmental policy, offering best in class efficient solutions manufactured according to the latest standards applicable to “green” products, inclusive the “end of life” recycling. abstract Figure 1 : Moteurs électriques en Europe – Source : EuP Directive, Eurostat, IMS Research. 68 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques • mauvaise utilisation des moteurs. En moyenne, ils sont uti- lisés à 60/70 % de leur puissance nominale ; • maintenance insuffisante, avec entrée d’air réduite, manque de graisse dans les roulements, surcharges brutales, régula- tion par marche/arrêt. Directives européennes La part prépondérante des moteurs électriques dans la consommation d’électricité de l’industrie a conduit le lé- gislateur européen à émettre une directive dite «  ErP : Energy-related Product »1 . L’objectif en est, au travers de l’éco-conception d’équipements liés à l’énergie et notam- ment par la fixation de niveaux minimaux de rendement des moteurs électriques, de diminuer les émissions de CO2 suite aux accords de Kyoto. Ce long processus a commencé avec l’élaboration des normes de références CEI 60034 qui définissent aussi bien les méthodes de mesure que les niveaux à respecter. La nouvelle norme CEI 60034-30, définit trois classes de ren- dement : • IE1 : rendement niveau STANDARD ; • IE2 : rendement niveau HAUT ; • IE3 : rendement niveau PREMIUM. Il n’est pas à exclure que des niveaux supérieurs voient le jour dans le futur, intégrant plus que probablement la vitesse variable. On parlera alors d’IE4 (SUPER PREMIUM), voire plus. Il existait depuis des années des gammes de moteurs dits « à haut rendement » appelés Eff1 qui étaient le résultat d’un accord volontaire pris par les fabricants de moteurs électri- 1 Directive 2009/125/CE du Parlement européen et du Conseil du 21 oc- tobre 2009 établissant un cadre pour la fixation d’exigences en matière d’éco-conception applicables aux produits liés à l’énergie. ques européens. Néanmoins, le peu d’incitations favorisant le choix de ces moteurs en avait fortement freiné le déploie- ment. La publication d’une directive européenne sur le sujet va significativement changer les choses. Depuis le 16 juin 2011, tous les moteurs commercialisés doivent être marqués en conformité avec le classement IE. Les moteurs commercialisés ne doivent plus présenter un rendement inférieur à IE2. Pour atteindre ce rendement, les fabricants de moteurs électriques ont dû réduire les pertes des moteurs de 15 % à 20 % et devront en faire autant pour chaque nouvelle classe de rendement. Le niveau IE2 est susceptible de générer des économies substantielles. Toutefois, l’introduction du niveau IE3 en 2015 permettra d’améliorer encore ces résultats. Déjà, des pressions se font sentir pour qu’une norme de rendement plus élevé soit instaurée, en dépit du risque de perdre la standardisation mé- canique (une hauteur d’axe pour une puissance donnée). Solutions à haut rendement dans les moteurs et les variateurs Les nouvelles possibilités offertes par les technologies de variateur électronique permettent désormais de chiffrer les économies réalisables et de les rendre plus concrètes. Les nouveaux niveaux de rendement IE2 sont suscepti- bles d’entraîner en pratique des économies d’énergie de 5 à 10 %, pour des moteurs à vitesse constante, en fonction de l’application considérée, par rapport aux anciens moteurs à faible rendement. Grâce aux performances accrues des variateurs électroni- ques, il est en outre possible de choisir la technologie idéale du moteur afin de réaliser des économies d’énergie pouvant atteindre 45 % (figure 2). Figure 2 : Economies potentielles par rapport à des moteurs à vitesse fixe à faible rendement. REE N°2/2012 ◗ 69 Les moteurs à aimants permanents « Smart » moteurs et optimisation Face à la tendance globale et aux pressions européennes visant à tendre vers un niveau IE4 et à intégrer une appro- che système plutôt que composant, Leroy-Somer a étudié diverses technologies de structure des moteurs électriques (flux transverse, structure discoïde, aimant monté en surface, rotor extérieur spécial) susceptibles d’être associées à des variateurs électroniques. La société a déposé de multiples brevets sur un concept original de moteur à aimants permanents radiaux. Dans cette configuration, où le champ magnétique se concentre sur les pièces polaires, la forme spéciale des aimants permet un blo- cage très efficace sous l’action de la force centrifuge. Cette structure permet de n’utiliser ni colle ni frette, et évite les problèmes de démagnétisation. Elle simplifie le processus de fabrication (figure 3). Les moteurs à aimants permanents devraient jouer un rôle prépondérant dans l’atteinte des niveaux de rendement les plus élevés, tel l’IE4 en projet. Le concept développé par Leroy-Somer est adapté à toutes les applications industriel- les. Cependant, avant la mise sur le marché, différentes mo- délisations ont été analysées. Le calcul de l’induction dans l’entrefer est l’élément clé. Pour cela, l’intégration d’un modèle thermique a été nécessaire en raison de l’impact de la température non seulement sur les matériaux des moteurs mais surtout sur les performances des aimants permanents. La modélisation thermique des machi- nes reste délicate. En effet, de nombreux paramètres non me- surables entrent en jeu. Par construction, un moteur évacue la chaleur radialement. Le moteur peut donc être représenté à l’aide d’un modèle thermique à éléments finis 2D. Un tel mo- dèle sert à valider les résistances thermiques analytiques dans le modèle utilisé pour l’optimisation. L’entrefer peut être consi- déré comme une barrière thermique. Les pertes au niveau du rotor sont donc supposées être négligeables (pas de courant, pas de variation de l’induction globale). Autrement dit, elles n’ont aucune incidence sur la température du bobinage. Tous les paramètres de la machine sont libres ou sup- posés varier dans un intervalle défini, tandis que le nombre d’encoches, de pôles et le diamètre extérieur sont fixes. La fonction objective de l’optimisation est le couple mécanique à un point de fonctionnement nominal, incluant la maximisa- tion de ce couple à vitesse constante. Deux optimisations différentes ont été effectuées : • l’une (optimisation n° 1), avec un diamètre d’alésage fixe, la géométrie des dents et la pièce polaire changeant légè- rement ; • l’autre (optimisation n° 2), avec un diamètre d’alésage libre. Les résultats montrent qu’il est possible d’augmenter le couple dans ces deux optimisations pour un coût de ma- tières premières identique et un rendement très proche de celui de la machine d’origine. Figure 3 : Structures de moteurs à aimants permanents. Couple (N.m) Puissance (kW) Tension (V) Courant (A) Rendement (%) α (°) Facteur de puissance Machine initiale 206.9 65.0 345.1 137.2 95.2 23.42 0.850 Optimisation n° 1 253.5 79.6 340.0 169.8 95.4 24.11 0.851 Optimisation n° 2 274.1 86.1 340.0 167.7 95.3 26.99 0.937 Tableau 1 : Maximisation du couple à vitesse constante et pour une quantité de matière donnée – Résultat des modélisations. 70 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques • l’optimisation n° 1 augmente le couple de la machine de 22 % et l’optimisation n° 2 de 32 %, soit un gain encore plus important ; • l’optimisation n° 2 offre un autre avantage  : celui de la taille du variateur. En raison d’un meilleur rapport couple/ courant, elle conduit, pour un même couple, à un courant moins élevé que la première. Par conséquent, le variateur requis pour obtenir une puissance équivalente est plus pe- tit, d’où des économies potentielles. Combinaisons d’encoches stator/rotor Lors d’une autre étude visant à maximiser le couple et le rendement pour une quantité de matières premières fixe, dif- férentes combinaisons d’encoches stator/rotor ont été com- parées. Au cours de cette étude, on a pris soin d’éviter tout champ magnétique inverse dans l’aimant en cas de court-cir- cuit. Même brève, une valeur élevée combinée à une haute température démagnétiserait en effet l’aimant. Conclusion : la combinaison 8 pôles/72 encoches est la plus adaptée pour la conception des moteurs à aimants per- manents. Variateurs de vitesse Pour fournir un rendement optimal, le moteur à aimants permanents nécessite d’être couplé à un variateur de vitesse. A l’origine, le variateur a été conçu pour commander les moteurs asynchrones, qui grâce à leur synchronisation (hors glissement) de la tension et du courant, rendent sa conception simple. La plupart des améliorations apportées ces dernières an- nées aux variateurs ont consisté à passer du mode de contrô- le scalaire au mode vectoriel. Ces principales avancées ont été rendues possibles par les microcontrôleurs de nouvelle génération, capables de réaliser des calculs à grande vites- se. Cette évolution autorise un contrôle fiable des moteurs à aimants permanents, même en mode sans capteur, avec une capacité de couple de démarrage élevée. De nouveaux composants de puissance, plus efficaces, ont également aidé à optimiser la taille du variateur. Compromis techniques D’un point de vue conceptuel, de grandes avancées sont possibles mais elles ont un coût. Il est évidemment essentiel de s’interroger sur la capacité du marché à absorber ces coûts, quelles que soient les économies d’énergie potentiellement réalisables. L’optimisation présentée précédemment aboutit à une machine optimale pour une vitesse donnée. Mais pour les fabricants, il reste indispensable de trouver le juste équi- libre entre coûts et performances. Le prix, le rendement, la compacité et le poids sont autant de facteurs cruciaux pour les concepteurs. Des courbes de Pareto permettent d’abor- der le problème de la conception à objectifs multiples et sou- vent contradictoires. De telles courbes peuvent représenter un ensemble d’optimisations basées sur des spécifications de charge. Elles constituent un outil très intéressant pour la prise de décision en matière de conception de machines. Les courbes de Pareto montrent trois zones désignées A, B et C : • Zone A  : une petite hausse des coûts suffit à accroître considérablement le couple tout en n’étant pas optimal économiquement ; • Zone B  : zone la plus importante. Le couple électroma- gnétique ne varie que légèrement en cas d’augmentation correspondante des coûts ; • Zone C : peut être qualifiée de saturée car toute augmen- tation minime du couple requiert une hausse considérable des coûts. Cette dernière présente un intérêt limité. Ces courbes de Pareto nous fournissent des informations très intéressantes : Figure 4 : Configuration initiale. Figure 5 : Optimisation n° 1. Figure 6 : Optimisation n° 2. Couple augmenté de 22 % Couple augmenté de 32 % REE N°2/2012 ◗ 71 Les moteurs à aimants permanents • pour un même coût de matières actives, il est possible de fabriquer une machine avec un couple plus élevé et un rendement minimal de 95,2 % (zone B avec superposition des courbes) ; • il est aussi possible de fabriquer une machine présentant les mêmes performances que la machine actuelle, pour un coût de matières actives moindre. Moteur à aimants permanents et moteur asynchrone IE2 Grâce à des tests exhaustifs, il est établi que le moteur à aimants permanents permet, en fonction de la vitesse, une augmentation du rendement de deux à neuf points par rap- port au moteur asynchrone IE2 (figure 8). Cette augmentation du rendement est due principale- ment à des pertes minimes au niveau du rotor. Figure 7 : Courbes de Pareto représentant les différentes zones d’optimisation. Figure 8 : Comparaison du rendement d’un moteur à induction avec celui d’un moteur à aimants permanents à différents régimes (moteurs de 55 kW). Moteur à induction • les pertes au rotor représentent 20 à 25 % des pertes totales ; • le rendement varie avec la charge et la vitesse. 72 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques Le marché de la réfrigération est un exemple de domaine d’application dans lequel les coûts énergétiques représentent une part très importante du coût du produit fini. Améliorer la consommation électrique est ici un enjeu clé auquel peuvent répondre diverses solutions selon la technologie employée (figure 9). Le choix de la solution idéale pour ce marché ne doit inter- venir qu’après prise en compte de certaines caractéristiques de fonctionnement et des tendances du marché : • coût de l’énergie qui impacte la facture énergétique de l’uti- lisateur final ; • facteur saisonnier, les besoins en refroidissement étant très différents en hiver et en été ; • tendance générale à utiliser plus régulièrement la vitesse variable, les variateurs étant mieux acceptés et le marché ayant une meilleure expérience de ces produits ; • les variateurs sont désormais fournis avec une interface conviviale qui simplifie la mise en service. De nouveaux horizons s’ouvrent donc pour les technolo- gies du moteur et de la vitesse variable dans la recherche du meilleur rapport efficacité énergétique/coût. Outre un meilleur rendement, et par conséquent des éco- nomies d’énergie, le moteur à aimants permanents offre des avantages tels que la compacité, la diminution du poids, voire de la taille du variateur. Autant d’améliorations qui peuvent aboutir à un châssis de compresseur plus petit et plus simple. Applications commerciales et industrielles Ce qui convient au marché de la réfrigération convient à la plupart des applications commerciales et industrielles. Il existe quelques exceptions où le moteur à aimants perma- nents ne serait pas la meilleure solution. C’est notamment le cas d’un extracteur fonctionnant à pleine vitesse pendant 8 000 heures par an. La meilleure solution consiste alors en un moteur asynchrone à vitesse fixe présentant un niveau de rendement IE2 ou IE3, voire supérieur. Dans d’autres applications telles que les compresseurs d’air et les matériels embarqués à bord des camions et des bateaux, la puissance massique peut être le critère prépon- dérant. Dans ce type d’applications, les moteurs à aimants permanents entraînent aussi une réduction significative de la hauteur d’axe par rapport aux moteurs asynchrones. • faibles pertes magnétiques ; • faible chute de rendement à vitesse basse. Moteur à aimants permanents Figure 9 : Le marché de la réfrigération et sa saisonnalité. Moteur à induction Ratio puissance/poids limité. Le couple électromagnétique sur le rotor est développé par la cage d’écureuil en aluminium. Compacité – Rapport Puissan- ce/poids élevé. Le couple électromagnétique sur le rotor est développé par des aimants permanents aux terres rares. Ratio puissance/poids : de 1,5 à 3 versus moteur à induction. Moteur à aimants permanents REE N°2/2012 ◗ 73 Les moteurs à aimants permanents Les performances remarquables des moteurs à aimants permanents contribuent à l’obtention d’un bon retour sur in- vestissement pour la plupart des applications. On sait que la majorité des composants utilisés dans les aimants (par exemple les terres rares) ont vu leur prix croître fortement en 2011 ; toutefois, ces composants ne représentent qu’une faible partie des matières premières utilisées et leur impact sur le retour sur investissement reste à l’heure actuelle tout à fait négligeable. Néanmoins, afin de se prémunir contre tout risque de hausse des coûts, Leroy-Somer poursuit les développements des moteurs à aimants permanents en gardant deux objectifs à l’esprit : • limiter la quantité de terres rares utilisée ; • améliorer encore le rendement du système dans son en- semble. La première idée amène à remplacer les terres rares em- ployées par d’autres matériaux tels que la ferrite. Connue depuis des années, cette solution offre de très bonnes per- formances au-dessous de 4 000 tr/mn. Cependant, pour ob- tenir la même compacité, le nombre de pôles de la machine doit passer à 12 ou 16. Cela peut conduire à une limitation de la vitesse maximale de la solution. En effet, la fréquence de découpage du variateur doit augmenter proportionnelle- ment au nombre de pôles ; les pertes au niveau du variateur peuvent alors poser problème. Dans un second temps, pour limiter l’impact du poids des terres rares, diverses conceptions de rotor ont donc été étudiées, proposant différentes valeurs de saillance, ainsi le comportement des variateurs avec ces machines. Le choix des moteurs a toujours un impact non négligeable sur la conception des variateurs, et inversement. Pour les grosses machines, la répartition de la « puissance de l’aimant » sur plusieurs éléments plus petits insérés en V ou en U dans le rotor a donné de bons résultats, et sera la base d’une future gamme. Pour les machines plus petites (moins de 50 kW), la dif- ficulté d’insérer des aimants de petite taille a amené Leroy- Somer à opter pour une conception plus élémentaire avec une seule « barre » par pôle, toujours insérée radialement dans le rotor. Là encore, la conception de la tôle du rotor est soigneu- sement étudiée de manière à optimiser la saillance. De bons résultats ont été obtenus : avec un poids d’aimant inférieur de 20 %, le rendement demeure le même qu’auparavant. Les innovations ainsi réalisées ont toutes pour but d’assurer une adéquation parfaite entre le moteur et le variateur. En dépit des turbulences affectant les prix, les moteurs à aimants permanents se positionnent toujours comme l’une des meilleures solutions d’efficacité énergétique associés aux variateurs de vitesse. Ecotechnologies En dehors de l’environnement industriel standard, les mo- teurs électriques sont utilisés pour produire de l’énergie verte : ils sont donc au cœur des écotechnologies. Dans les éolien- nes, ils permettent d’optimiser le rendement de la turbine, via Figure 10 : Comparaison selon le ratio poids/puissance entre moteurs à induction et moteurs à aimants permanents. 74 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques la régulation de l’orientation des pâles ou de la nacelle. La tendance actuelle en faveur de produits plus écologiques a favorisé l’essor du marché des véhicules électriques de nou- velle génération dotés de moteurs à aimants permanents ou de moteurs asynchrones à puissance massique élevée qui ont supplanté les moteurs à courant continu utilisés par le passé. Profil Environnemental Produit L’impact environnemental du processus de fabrication oc- cupe une large place dans la conception des nouveaux mo- teurs à haut rendement. Tous les processus de conception et de production génèrent un Profil Environnemental Produit (PEP) qui garantit que le nouveau produit est meilleur pour l’environnement que le précédent. Tous les moteurs de nou- velle génération sont conçus pour utiliser le moins de maté- riaux possible, et pour être fabriqués avec des composants faciles à recycler et aux besoins énergétiques limités. Le PEP permet d’analyser différents problèmes et d’appor- ter des solutions pratiques dans les domaines suivants : • gestion de l’eau et de l’énergie ; • gestion de l’eau polluée avec plan destiné à éviter une pol- lution massive de l’eau ; • stockage des substances à risque dans des réservoirs et des barils ; • contrôle de la pollution de l’air et des émissions ; • gestion des déchets par l’intermédiaire du recyclage (et non par la mise en décharge ou l’incinération) ; • situations d’urgence ; • réglementation. Conclusion Economiser l’énergie est aujourd’hui une obligation. Pour y parvenir, les industriels doivent proposer des produits dont l’utilisation et la fabrication sont respectueuses de l’environ- nement. Comme 95 % du coût d’un moteur est donné par sa consommation d’électricité tout au long de sa vie, la re- cherche de l’efficacité maximale passe tout d’abord par une bonne conception. Les avantages des moteurs à aimants permanents, en termes de rendement, sont à cet égard in- contestables. Il faut également concevoir des produits nécessitant un contenu de matières premières le plus efficace possible. Il est également important de limiter l’empreinte carbone en produisant au plus près des marchés, évitant de fait des flux migratoires énergivores. Bien évidemment, la fin de vie du moteur électrique doit être gérée dès le début en sélection- nant des matériaux « propres » et recyclables. Le moteur à aimants utilise moins de matière première que le moteur asynchrone et présente un rendement bien supérieur, ce qui le positionne aux avant-postes de l’éco-responsabilité. Régis Giraud est titulaire d’un master Electrotechnique et Auto- matique et d’un DESS Microélectronique . Il est directeur de l’activité marketing et commerciale de la Division moteurs de Leroy-Somer, division marquée par un fort contenu de technolo- gie basé sur les motorisations à aimants permanents. Issu de la filière électronique - électrotechnique, il a démarré sa carrière en concevant des onduleurs pour alimentations interruptibles, puis en dirigeant des projets techniques de démarreurs électroniques et de variateurs intégrés dans la boîte à bornes pour moteurs asynchrones. Il a rejoint la Division moteurs de Leroy-Somer pour assurer la commercialisation de solutions innovantes de systèmes d’entraînement électriques. l' auteur