Le moteur de propulsion électrique du futur

04/10/2018
Auteurs : Aymen Ammar
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23547
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Le moteur de propulsion électrique du futur

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Le moteur de propulsion électrique du futur La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 18 Le moteur de propulsion électrique du futur AYMEN AMMAR Ingénieur calcul machines électriques JEUMONT Electric, Jeumont aymen.ammar@jeumonteletric.com 1. Introduction et problématique Avant les années 80, la propulsion électrique navale était assurée par des Moteurs à Courant Continu (MCC). La simplicité de la structure et du principe de contrôle de la caractéristique couple / vitesse était le point fort de cette technologie. Cependant, la présence du collecteur réduit sensiblement le niveau de fiabilité du moteur. Les progrès réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance et l’apparition des aimants à forte densité énergétique ont permis aux Machines Synchrones à Aimants Permanents de connaitre durant ces dernières décennies un développement important. Tout d’abord, les machines synchrones à aimants permanents ont commencé à se répandre comme actionneurs dans les industries automatisées en remplacement des moteurs à courant continu. Ensuite, les MSAP ont commencé à être utilisées dans les applications de plus forte puissance comme la propulsion marine. L’utilisation d’aimants permanents confère aux MSAP, en plus d’un très bon rendement, des puissances et couples massiques élevés. La création du flux rotor par les aimants permanents évite l’utilisation de contacts glissants qui engendre donc une meilleure fiabilité et par conséquent moins d’entretien. Toutefois, l’utilisation d’aimants engendre un surcoût, un risque de désaimantation et enfin la nécessité de faire un compromis entre vitesse maximale de fonctionnement et facteur de puissance [1]. Les contraintes environnementales et économiques liées à l’utilisation des aimants permanents (utilisation de matériaux rares, difficulté de recyclage, marché instable, …) incitent les industriels à développer des topologies innovantes combinant les avantages des MSAP tout en réduisant leurs inconvénients. Une première alternative pourrait être le Moteur Synchrone à Double Excitation [2] qui allie technologie à aimants permanents et technologie à rotor bobiné. Une deuxième solution pourrait être la machine supraconductrice. Dans cet article nous présenterons le principe et l’intérêt de chaque solution. 2. Le Moteur Synchrone à Double Excitation Le flux principal dans un moteur synchrone à double excitation (Fig.1) est la résultante de deux flux l’un constant généré par les aimants, l’autres variable généré par les enroulements d’excitation. La structure profite ainsi des avantages des deux technologies, à savoir un bon rendement, un bon couple massique et une simplicité du contrôle du flux. Figure 1 : Schéma de principe du MSDE. Ainsi, comme le montre la Figure 1, le flux total est créé en partie par des aimants permanents, diminuant considérablement la quantité de terre rares utilisée comparé à un MSAP. Ce flux est par la suite augmenté ou diminué par action sur le courant traversant la bobine d’excitation. Soit Vm la tension du moteur, Ls l’inductance statorique, Is le courant statorique, ϕexc le flux créé par l’inducteur et ψ l’angle interne entre le courant et la FEM. Dans les deux configurations, MSAP et MSDE, la vitesse peut être exprimée comme suit : (1) Comme dans un MSAP ϕexc est constant, la variation de vitesse au-delà de la vitesse de base (Tension maximale) ne peut être réalisée que par action sur l’angle ψ. Ceci a tendance à dégrader le facteur de puissance et ainsi le rendement. Cependant dans un MSDE ϕexc est variable car il est créé à la fois par un bobinage d’excitation et par des aimants permanents constituant ainsi un degré de liberté supplémentaire pour un contrôle optimal du flux. Résumé : Avec l’apparition des convertisseurs statiques de puissance, le Moteur Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) tend à s’imposer dans le système de propulsion électrique et tout particulièrement pour les applications navales. Cependant, des contraintes économiques, environnementales et risques d’approvisionnement des matériaux terres rares (Nd, Sm, Cobalt, Dysprosium) poussent les industriels à développer différentes solutions pour minimiser les volumes des aimants. Différentes topologies ont été étudiées parmi celles-ci le Moteur Synchrone à Double Excitation (MSDE) qui généralement nécessite deux fois moins de terres rares et offre une grande souplesse pour l’optimisation du point de fonctionnement du système de propulsion d’une part et le Moteur Synchrone Supraconducteur qui en plus d’un rendement équivalent à celui d’un MSAP permet une réduction considérable du volume et de la masse d’autre part. Le moteur de propulsion électrique du futur La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 19 La Figure 2 montre des courbes d’iso-rendement dans un plan couple vitesse d’un MSAP et d’un MSDE Figure 2 : Iso-rendements MSAP vs. MSDE. Nous remarquons que le degré de liberté supplémentaire apporté par la double excitation permet un fonctionnement au-delà de la vitesse de synchronisme avec des rendements élevés améliorant ainsi l’efficacité énergétique sur un cycle de fonctionnement du moteur [3]. 3. Le moteur Synchrone Supraconducteur La supraconductivité est un phénomène physique qui apparait dans certains matériaux à basse température (quelques Kelvin). Il est essentiellement caractérisé par l’absence complète de la résistivité électrique, ce qui fait de lui un conducteur parfait sans pertes par effet Joules La découverte dans les années 80 des supraconducteurs à haute température critique (environ 160 Kelvin) a permis l’utilisation de ces matériaux dans des applications médicales et industrielles. Dans les machines électriques tournantes, les matériaux supraconducteurs sont utilisés pour former les bobines inductrices permettant un fonctionnement avec des densités de flux magnétique supérieures à 2 Tesla [4] (dans les machines conventionnelles l’induction d’entrefer est généralement de 0.8T). Ces caractéristiques font de la propulsion navale un secteur d’application privilégié pour les moteurs supraconducteurs permettant d’atteindre des objectifs de compacité et de rendement inégalés. En effet le couple électromagnétique peut être exprimé comme suit : V A B k C s e em    = (2) Où k est une constante (environ 1.4), Be est l’induction d’entrefer (Tesla), As est la charge linéique (A/m) et V est le volume d’entrefer (m3 ). A couple égal, l’augmentation de l’induction d’entrefer grâce à l’utilisation de matériaux supraconducteurs engendre une diminution du volume de la machine. Dans le tableau suivant nous avons réalisé une comparaison entre les caractéristiques d’un moteur synchrone à aimants permanents et un moteur synchrone à inducteur supraconducteur. La puissance et la vitesse considérées sont respectivement 10MW et 100tr/min. Tableau 1 : Comparaison moteur à aimants et moteur supraconducteur Les résultats obtenus montrent un gain important en compacité : couple volumique et couple massique. Le volume est divisé par 2 et la masse est réduite de 32%. Il faut aussi noter que les entrefers importants de ce type de machine, nécessaires pour la mise en place de la cryogénie, engendrent un faible taux d’harmonique et des faibles ondulations de couple. On a donc des moteurs silencieux avec une discrétion acoustique remarquable. Les moteurs supraconducteurs existent depuis les années 80 mais n’ont jamais connu l’essor escompté. Ceci était essentiellement dû à des problèmes de fiabilité et de coût de fabrication. Cependant, les bons résultats obtenus dans le cadre du projet ECOSWING [5] ne peuvent que présager un bel avenir pour cette technologie. 4. Conclusion Dans cet article nous avons tout d’abord présenté les problématiques liés à l’utilisation de MSAP pour la propulsion électrique. Ensuite nous avons présenté une première technologie susceptible de remplacer le MSAP à savoir le MSDE qui utilise une technologie hybride pour la création du flux permettant ainsi une réduction de la quantité d’aimant tout en optimisant les performances énergétiques. Enfin nous avons présenté une deuxième technologie, le moteur supraconducteur, qui permet une réduction considérable du volume et de la masse sans affecter le rendement. 5. Bibliographie [1] Y. Amara, « Contribution à la conception et à la commande des machines synchrones à double excitation », thèse de Doctorat, Université Paris XI, 2001. [2] L. Vido, Y. Amara, M. Gabsi, « Machines synchrones à double excitation MSDE », Techniques de l’Ingénieur, D3525, Fév. 2011. [3] A. Ammar, « Modélisation et Optimisation d’un Générateur Synchrone à Double Excitation de Forte Puissance », thèse de Doctorat, EC Lille, 2013. [4] S. Bendali, « Dimensionnement d’un moteur supraconducteur HTc », thèse de Doctorat, Université de Lorraine, 2012. [5] Site internet ECOSWING https://ecoswing.eu/ Moteur à aimants Moteur supraconducteur Induction entrefer 0.8 T 1.6 T Charge linéique 60 kA/m 60 kA/m Volume 14 m3 7 m3 Longueur fer 1 m 1 m Diamètre alésage 4 m 3 m Masse 47 t 32 t