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
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2012-2/4721You do not have permission to access embedded form.

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La nouvelle révolution des moteurs électriques

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	    <date dateType="Created">Fri 23 Aug 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Sat 17 Feb 2018</date>
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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.