La nouvelle révolution des moteurs électriques

Des moteurs électriques toujours plus performants 23/08/2013
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-2:4721

Résumé

La nouvelle révolution des moteurs électriques

Auteurs

L’IA et l’industrie
L’intelligence artificielle : prothèse ou orthèse ?
Refroidissement des logements : ne refaisons pas l’erreur des chauffages d’appoint
26e Congrès de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) à Versailles
Gérard Mourou, prix Nobel de physique 2018
Transition énergétique : il est temps de redonner la priorité à l’électricité
Comment décarboner les transports lourds de marchandises ?
La RATP se met au vert
Autoconsommation : le débat ne fait que commencer
Un mix gazier 100 % renouvelable en 2050 : peut-on y croire ?
La fiscalité du carbone se renforce
Stratégie nationale bas carbone : les premiers indicateurs de résultats interpellent
Eoliennes flottantes : deux inaugurations importantes mais beaucoup d’incertitudes demeurent
Vers un cluster de l’hydrogène dans la région de Liverpool-Manchester
Les batteries Li-ion pour l’automobile : un marché en pleine évolution
Mobileye et le Road Experience Management (REMTM)
La cyber-sécurité dans les systèmes d'automatisme et de contrôle de procédé
Les applications industrielles et scientifiques des logiciels libres : aperçu général
Les applications industrielles des logiciels. libres
Les applications industrielles des logiciels libres (2ème partie)
L'identification par radiofréquence (RFID) Techniques et perspectives
La cyber-sécurité des automatismes et des systèmes de contrôle de procédé. Le standard ISA-99
Êtes-vous un « maker » ?
Entretien avec Bernard Salha
- TensorFlow, un simple outil de plus ou une révolution pour l’intelligence artificielle ?
Donald Trump annonce que les Etats-Unis se retirent de le l’accord de Paris
L’énergie et les données
Consommer de l’électricité serait-il devenu un péché ?
Un nouveau regard sur la conjecture de Riemann – Philippe Riot, Alain Le Méhauté
Faut-il donner aux autorités chargées du respect de la loi l’accès aux données chiffrées ?
Cybersécurité de l’Internet des objets : même les ampoules connectées pourraient être attaquées
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 2)
ISA L’évolution des normes et des modèles
FIEEC - SEE - Présentation SEE et REE - mars 2014
Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 1)
Internet des objets : l’ARCEP et l’ANFR mettent à la consultation l’utilisation de nouvelles bandes de fréquence autour de 900 MHz
L’énergie positive
Controverses sur le chiffrement : Shannon aurait eu son mot à dire
La cyberattaque contre les réseaux électriques ukrainiens du 23 décembre 2015
Le démantèlement des installations nucléaires
L’Accord de Paris
Les data centers
L’hydrogène
Le piégeage et la récolte de l’énergie. L’energy harvesting
Régalez-vous, c’est autant que les Prussiens n’auront pas...
Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh
Le kWh mal traité
Enova2014 - Le technorama de la REE
Les grands projets solaires du pourtour méditerranéen
Après Fukushima, le nucléaire en question ?
On sait désormais stocker les photons pendant une minute
Identification d’objet par imagerie fantôme utilisant le moment orbital angulaire
La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard
Multiplexage par moment angulaire orbital : mythe ou réalité ?
Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité
Photovoltaïque : la course au rendement se poursuit
Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par résonance plasmon
Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation
Les nombres premiers en première ligne
La nouvelle révolution des moteurs électriques
Les cyber-attaques, un risque pour nos grandes infrastructures ?
Le stockage de l’électricité
Le véhicule électrique (2) : comment donner corps à la transition énergétique ?
L'automatisation des transports publics
Les technologies nouvelles de l’éclairage : leur impact sur l'environnement et la santé
Les énergies marines renouvelables
Le véhicule électrique : une grande cause nationale
Médaille Ampère 2012
Berges2009_Hauet.pdf
Prix Bergès 2009

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REE N°2/2012 ◗ 55 LES GRANDS DOSSIERsIntroduction Le moteur électrique est né il y a près de deux cents ans et beaucoup ont en mémoire l'expé- rience de la roue de Barlow (1822) répétée des centaines de milliers de fois dans les lycées et collèges. Le XIXe siècle a vu se succéder une ky- rielle d'innovations technologiques touchant aux machines électriques  ; la plus importante est sans doute l'arrivée des moteurs asynchrones dont la paternité, contestée il est vrai, est souvent attribuée à Nicolas Tesla (1887). Tout à la fin du siècle la voiture électrique, la Jamais contente, dotée des accumulateurs au plomb inventés par Gaston Planté en 1859, franchissait en 1899 la barre des 100 km/h. Le moteur électrique est donc une technologie éprouvée et voilà des décennies qu'il occupe une place de premier plan dans les usages domestiques, industriels ou ter- tiaires, étant directement associé à la pénétration de l'élec- tricté dans tous ces secteurs. Pourtant l'amélioration des performances des moteurs électriques reste plus que jamais une préoccupation de pre- mier plan. Cette évolution résulte de la concommittance de nouveaux besoins et de nouvelles percées technologiques. Les nouveaux besoins, ce sont en premier lieu ceux nés de la recherche d'une utilisation plus rationelle de l'énergie face à des prix de l'énergie allant en croissant. Selon l'ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), les moteurs électriques représentent aujourd'hui 72 % de la consommation d'électricité dans l'industrie en France et 69 % en Europe. Le coût d'investisssement du moteur électrique ne représenterait que 2,5 % du coût total de possession rapporté à sa vie entière alors que la consommation d'électricité en re- présenterait 96 %. Sur les 90 TWh consommés en France par ces moteurs, le gisement d'économie d'énergie représenterait 10 à 15 TWh. En Europe, il atteindrait 139 TWh en 2020. L'en- jeu est donc considérable et a conduit la Commission euro- péenne à faire adopter une directive imposant, depuis le 16 juin 2011, le marquage des moteurs et le respect, a minima, du niveau de performances IE2 (rendement niveau Haut au sens de la norme CEI 60034-30), pour les moteurs mis sur le marché. Le niveau IE3 devra quant à lui être atteint en 2015 et les discussions sur un niveau IE4 sont lancées. Plus généralement, la notion d'écoconception, c’est-à-dire l'intégration des caractéristiques environnementales dans la conception du produit en vue d'améliorer sa performance environnementale du tout au long de son cycle de vie, s'est progressivement impo- sée et conduit à des prescriptions multicritères quant aux caractéristiques et aux performances environnementales des moteurs. D'autres besoins sont également montés en première ligne : on citera tout particulièrement l'amélioration de la puissance massique et la recherche d'une plus grande compacité qui est primordiale dans toutes les applications embar- quées, véhicules de transport en commun ou véhicules individuels électriques. Ceci conduit à privilégier les moteurs à très haute vitesse de rotation mais, pour d'autres applications, ce sont des machines lentes à fort couple qui resteront recherchées. Dans d'autres domaines, les questions de bruit, de vibrations, d'aspect visuel seront essentielles. Pour les applications professionnelles, les critères de ro- bustesse, face à des environnements parfois sévères, seront primordiaux. Ils se déclinent en fiabilité, maintenabilité, dispo- nibilité, durée de vie. Les questions de prix de revient restent évidemment fon- damentales ; pour les produits grand public, cette notion se réume trop souvent au prix d'achat. Mais l'utilisateur profes- sionnel sera davantage sensible au coût total de possession. Face à des besoins de plus en plus exigeants, la techno- logie a ouvert au cours des dernières années de nouvelles voies de progrès, au point que l'on peut parler de « nouvelle révolution des moteurs électriques » qui est le titre du pré- sent dossier. L'article de Daniel Roger et Farid Meibody-Tabar montre comment il peut être répondu aux problématiques nouvelles des moteurs électriques grâce à ces progrès. La révolution ne concerne pas seulement le moteur élec- trique mais l'ensemble de la chaîne de traction incluant le transformateur, le convertisseur et le moteur, auxquels peut venir s'ajouter un dispositif de stockage. Dans cet ensemble, deux percées se dégagent : • les progrès réalisés sur l'électronique de puissance utilisée dans les convertisseurs électroniques servant à l'alimenta- tion des moteurs et sur les architectures de ces conver- tisseurs. Les solutions à IGBT ont permis de réaliser des avancées considérables dans le domaine des moteurs à vitesse variable. L'arrivée de nouveaux composants à base Des moteurs électriques toujours plus performants Jean-Pierre Hauet Associate Partner KB Intelligence Membre Emérite de la SEE 56 ◗ REE N°2/2012 LES GRANDS DOSSIERs Introduction de carbure de silicium (SiC) permettra de fabriquer des commutateurs électroniques encore plus rapides, rendant accessibles les très hautes vitesses de rotation, au prix il est vrai de difficultés à résoudre sur la tenue des isolants et sur la conception des paliers ; • le développement des moteurs à aimants permanents. Les aimants permanents à base de néodyme, fer et bore crééent des champs magnétiques d'une intensité impressionnante au point que leur manipulation lors de leur assemblage doit être entourée de solides précautions. Ils permettent, et c'est l'objet de l'article de Régis Giraud, d'améliorer fortement la compacité des moteurs, de réduire les pertes magnétiques et d'accroître le ren- dement de deux à neuf points par rapport à des moteurs asynchrones IE2. La machine électrique, dont le fonction- nement repose sur des lois connues, élec- tromagnétiques et thermiques, se prête en outre remarquablement bien à une appro- che de modélisation numérique et d'optimi- sation. C'est un exemple d'application des sciences où l'association entre une connais- sance intime des phénomènes et une maîtrise de moyens de calcul importants, permet, grâce à des modèles, d'optimiser la conception des moteurs et des convertis- seurs, afin de mettre en évidence des pro- grès, parfois minimes mais qui se répèteront à l'identique des millions de fois. C'est une démonstration, pour nos étudiants, de l'utilité d'une culture scientifique poussée. L'article de Robert Périot et Benali Boualem montre com- ment, autour d'une application très exigeante qui est celle des transports en commun, un industriel peut mettre en œu- vre les solutions qui s'offrent à lui pour réaliser une solution compétitive au meilleur niveau de l'état de l'art. C'est un exemple frappant de l'utilité de la recherche-développement et de l'in- novation pour maintenir sur notre territoire des activités industrielles à haute valeur ajoutée. Mais les trois articles montrent que rien n'est jamais acquis, que de nouvelles voies de progrès restent à explorer, dans le domaine des matériaux (aimants perma- nents, semi-conducteurs, isolants), dans celui des composants et des architectures électroniques, dans celui de la conception des moteurs (les moteurs-roues pourraient constituer une rupture technologique dans le domaine de la propulsion électrique), dans celui du stockage de l'énergie incorporé à la chaine électrique ou hybride, etc. Nul doute que le moteur électrique saura s'adapter aux exigences toujours plus variées des applica- tions de plus en plus larges qu'implique la pénétration accrue de l'électricité. ■ Moteurs électriques modernes, nouvelles problématiques à maîtriser Par Daniel Roger, Farid MeiBody-Tabar .................................................................................................................................. p. 57 Les moteurs à aimants permanents Par Régis Giraud .............................................................................................................................................................................. p. 67 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives Par Benali Boualem, Robert Periot .......................................................................................................................................... p. 75 les articles Jean-Pierre Hauet est ancien élève de l’Ecole Polytechnique et Ingénieur du corps des mines. Il a occupé différentes positions dans l’Administration, en particulier celle de rapporteur général de la Commission de l’Energie du Plan. Il a dirigé le centre de recherches de Marcoussis d’Alcatel avant d’être nommé directeur Produits et Techni- ques de Cegelec, puis Chief Technology Officer d’Alstom. Depuis 2003, il est Associate Partner de KB Intelligence, spécia- lisé dans les questions d’énergie, d’automatismes industriels et de développement durable. Il préside l’ISA-France, section française de l’ISA (Instrumentation, Systems & Automation Society). Il est membre Emérite de la SEE et membre du comité de rédaction de la REE.