PROBLEME DELA MoroRrsATroND'uNvÉHrcuLEÉLncrnreun (premièrepartie) Écor,eNonuarr,*u"Jll?iIH"J?il"iïilT*:lIFITur^u*.NRSD,375 61, avenuedu présidentWILSON,94235CACIIAN Cédex Pour desraisonsde volume,cet article a étéfractionné en deuxpaûies, cettepremièle partie (I 2 pages)se terminedonc sans conclusionet sansla bibliographie.La deuxièmepqrtie (10pages)paraîtra dansun prochain numéri ie la ,"uu". I- INTRODUCTION L'idéed'utiliserl'énergieélectriquepour mouvoirdesvéhiculesn'estpasnouvelle,elle estnéedèsque les premiers moteursélectriquesont commencéà fonctionner,les piles ayant été découvertes auparavant.Dès les années1g40,des protot)?€sde véhiculesferroviaires(Edinburgh,1842)et de bateaux(Saintpetersbourg,1834) furent propulséspar des moteursélectromagnétiques alimentéspar despiles.A la hn du siècledernier,plusieursautomobilesélectriques alimentées, cettefois, par desaccumulateurs électrochimiques furentréalisées. A cetteépoqueoù lesmoteursthermiquesétaientloin du stadeactuel,il semblaitquela propulsionélectriqueait seschances, on connaltla suite.Soulignons toutefoislesperformances honorables atteintespar touscesprotot'?es,ainsila fameuse"JamaisContente"(Figure l.lfavait roulé à 105km/h en lg99 et, en 1901,un trajetde 307km sansrechargeavaitétéréaliséUJ. a1- Figure-1.1-1 : la "Jamsis J "::__-- " stteint 1 Il faut recomaîfe quele frein essentiel au développement du véhiculeélectdqueétaitet reste,encoreaujourd'hui,lié aux faiblesperformances desbatt€riesdont l'énergiemassique estcompriseentre30 et 100W.h/kgenviron[2, 3,41 alorsque "contient"à peu près I'essence l0 000W.h,&g,soit 100 fois plus que les meilleursaccumulateurs actuels.Même avecun rendement thermiquede 25Vocelaconftre unebelleautonomieau véhiculethermiqueet, qui plus est,avecune rechaxge très rapide.La puissance équivalente de recharge(pour50 litresremplisen 5 minutes)vautenvirono Iraw thermlquesou 1,5MW utilessi l'on tient comptedu rendementthermique.Ainsi deuxinconvénients notablesdu véhiculeélechiquJsont liés à son systèmede stockaged'énergie:d'une part, masseélevéede batterie/faibleautonomieet, d,autrepart, grandepuissance électriquede rechargeou longueduréede recharge.En revanchesesdeux principauxatoutssont I'absencede pollution atmosphérique localeet le faible bruit acoustique. Le bon rendementest un avantagede secondordrequandl'électricitéest produitepar descentrales thermiques, surtoutnucléaires. Remarquons que,danscedèrniercas,l,utilisationd,électricité permet de réduirenotle consommationd'hydrocarbures. Les crisespétrolièresont chaquefois réveillé les projets de véhicule électriquemaiscelan'a passuffi. c'est aujourd'huila recherche d'unemeilleurequulitéd" vie qui relanceles études.Ainsi la décisionde l'étatde Californie,aux USA, conduira-t-elle à uneaugmentation progressive du nombrede véhiculesélectriques, seulesolutionpermettantde satisfaire, dansI'avenirproche,lar,ormeZEV (ZeroEmissionVehicle)qui imposeuneproponron progressivement croissantede véhicules,sansrejet de gaz ou de particules, jusqu'à 10% des immatriculations en 2003 [51. Beaucoup de villes dans le monde sont grayement atteintespar les problèmes de pollution et il est probable que de telles décisionsse multiplient dans les annéesà venir. Malgré les handicapsévoqués,un nombre marginal de véhiculestout électriquesse sont développésdepuis plusieurs décennies,par exemple, pour la collecte des ordures, pour le transport de marchandisesdans les gares et les aéropons, les qualités essentiellesrecherchéesétant ici la propreté et le silence de fonctionnement. Dans le domaine ferroviaire, la propulsion est, en très grande majorité, électriquemais l'alimentation est faite par caténaireou rail(s) conducteur(s).Sur les lignes non électrihées, on a recours à des locomotiyes thermoélectriques,un moteur diesel fonctionnant à régime constant entraîneun générateuralimentant lui même des moteursélectriquesà travers des convertisseursstatiquesà semi-conducteurs. Dans ces conditions, le moteur thermique travaille avec un rendementoptimal et une pollution minimale, en outre le réglage électriquede vitesseest beaucoupplus souple, il permet, entle autres,une grande plage de réglage de vitessesansembrayage ni boîte de vitessesainsi qu'un antipatinageefficace. Ces exemples montrent assezbien ce que la traction électrique peut apponel comme avanrages. Dans le chapitre suivant, nous déterminonsles caractéristiquesmécaniquesrequisespour I'entraînementd'un véhicule Ensuite,dans la troisième partie, nous décrivons les camctéristiquesgénéralesdes moteursélecûomagnétiques,nous montlons, en particulier les moyens d'atteindre des forts couples massiquesou des hautes puissancesmassiques.Dans le quatrième "tout électrique" et nous mettons en évidence les avantageset chapitre, nous posons le problème de la motorisation dite inconvénients des solutions ayec ou sans boite de vitesses,mono et multi-moteurs. Enfin, en guise de conclusion, nous abordonsle problème de l'optimisation de la chaînede traction. 2 - E X I G E N C E S F O N C T I O N N E L L E SD U V É H I C U L E Considéronsmaintenant les caractéristiquesmécaniquesrequisespour I'entraînementd'un véhicule roulant. L'effort total de résistanceà l'avancementque doit vaincre le système de motorisation, afin d'accélérer,avec une intensité y, le véhicule, de massetotale M comprend plusieu$ composantesdéfinies ci-après: (l l) F. = Froul* Faero+ M.g.p7o+ M.1 pneus. Pratiquement,aYec d€s des de roulement coefficient liée au f.",, éii ta foiie de résistance au roul€ment gonflage pression comprise entre 1,8 et de avec une roulement pneumatiq;;s modemes à très faible résistanceau [6], (environ 150 lo-a pour des pneus 100 loa environ roulement vaut au 2,2 daN/cm:, le coefficient CRR de résistance la largeur des pneus et du dépend de il Pmtiqu€ment, avec la charge. classiques).Ce coefficient est sensiblementconstant gonflage sont pressions de leurs pneus si ou, simplement, anières revêtementroutier. Si les Dneusavants sont différents des différentes,l'effort de résistanceau roulement Yaut : (t.2) F.*, = [Cnnou.uou + CRR*. Mo* ].g = CRR..y. M.g ou M^v et MAR sont respectivementles massesportéespar les roues avântset arières et g est I'accélérationde la pesanteur ( 9 . 8 1m . s - 2 ) . à la massevolumiquede l'air (1,28 kg/ml). au Faéroest la force de résistanceaérodynamique[?], proportionnelle cané de liiiesse relative (compte tenu du vent) par rapport à I'air, à la section fiontale Sl du véhicule et à son coefficient Cx de Dénétrationdans l'air (environ 0,3 à 0,4 habituellement): r".,,=ri c' s' (1.3) M.g.p% est la force nécessaire,proportionnelleà la massetotale du véhicule, pour vaincre une pente à pyo. Enfin, M.y est le terme dynamiqued'accélération(y > 0 pour une accélérationet < 0 pour une décélération) Les énergiesassociéesaux forces d'accélération(énergiecinétique) et de gravitation M.g.p% (énergie potentielle) est réversibleet peuvent êffe récupéréessi le systèmede motorisationest réversible. Si v est la vitessede déplacementdu véhicule, la puissanceà foumir aux roues vaut : P- = F-.v (1.4) À vitessestabilisée,en palier, la puissanceà foumir comprend un terme de fiottement proportionnel à la vitesseet un t€rme de résistanceaérodynamiqueproportionnel au cube de la vitesse. Pour un fonctionn€menl en cycle urbain où la vitess€ reste faible (moins de 50 kmÂr : effort aérodynamique négligeable), l'effort total ainsi que la puissance sont sensiblementDroDortionnelsà la massedu véhicule : \= (1.s) M . g .p % + C R R . o ' M . g+ M . y = K . M Même s,il y a récupération d'énergie au freinage, la consommation totale de puissance, dans ce t)?e de fonctionnement, est proportionnelle à la masse, soit environ 130 l0-3 W.h/km.kg (de 50 à 200 l0-3 selon les véhicules), moyenne faite d,après des données constructeur issues de [81. Pratiquement,les valeurs mesurées(prenant en compte le de recharge) sont plus proches de 260 l0-3 W.hn<m.kg,moyenne effectuée sur 20 véhicules électriques ayant ,.ni.r"nt participé aux ,,12 heures électrique;" de Namur, en septembre1991, l9l. Dans le même article, I'auteur montre, d'après des 54 observations, qu'en réalité la consommation est une fonction de la massedu véhicule,pour 500, 1000 et 2000kg, les consommations moyennes valentrespectivement 350,250et 200 l0-3 W.hÂm.kg. La figure 2.1 montrela puissance requise,à vitessestabilisée, pour I'entraînement d'un véhiculeurbain(masse charge de I 150kg, CRR: 150.104, Sf= 2,5m,, C, = 0,32)enpalieret enpenteà p%o: 25 20 plât l0 km/h 0 90 Fienre -2.1-Puissance aux roues pour un véhicule vitesse stabilisée On voit que la puissancemaximale requisedépendde la vitessemaximale (12 kW à 90 km/h et 22 kW à 120 km,4l) et de la pente maximale à bassevitesse(25 kW à 60 km,h et pente à 10%). L'effort maximal est, quand à lui, directementIié au démanage en forte pente (2250 N à 209'o).Pour un véhicule urbain 4/5 places, cette puissancemaximale vaut environ 20 à 30 kW, en régime intermittent, selon les exigenceset une dizaine de kW permanents.Une voiturette l/2/3 places requiert, quant à elle, une puissanced'environ 5 kW permanentset 8 kW crêtes [61. Un véhicule routier nécessiteentre 40 et 50 kW permanents pour permettre un déplacementautoroutier. Un véhicule utilitaire [10[ ou un minibus urbain a besoin de quelques40 kW. Un bus urbain (vitessemaxi de 70 kmÂr, pente maxi l8%o,masseà vide 17,6tonnes ull) fonctionne avec une puissancecrête d€ 160 kW et de I l0 kW permanents.Enfin, les 2 roues peuvent aussiêtre motorisésélectriquement.Des motocyclettes sont actuellementcommercialiséesen Suisse(ASMO-Engineering AG, Bâle), deux versions sont proposées: I'une de 14 kW (vitesse maxi : 163 km/h, autonomie: 180 km), I'autre de 25 kW (vitesse maxi : 205 km,4r, autonomie : 250 km). Peugeot Motocycles envisage de produle des scooters électriques [2]. Des bicyclettes assistéesélectriquement (analoguesau "Solex") sont commercialiséesen Chine depuis 1982, pour une charge utile de 90kg, une vitesse maxi de 24 Wo/h et une pente maxi de 7", soit 1270,une puissancemaximale de 200 W suffit, leur autonomie vaut 30 km [13]. Ceci permet de constaterqu'il est possiblede réaliserune motorisationélectriquesur de nombreux types de véhicules.La figure 2,2 montre quelquesexemplesde véhicules électriquescommercialisésou en voie de l'être. Le tableauci-dessousdonne les ordres de grandeurde puissancemaximale nécessairepour les divers types de véhiculescités. rypeoe véhicule vélo moto rapide- votfurene volfure urbaine voiture routière Puissance maximale 200w t4/25kW Ekw 20/30kw 40/50kw véhic. utilit. urbain busurbain 40kw r60kw Si des accélérationsimportantes sont souhaitées,il faut, bien entendu, accroître la puissance impulsionnelle ou tansitoire [14], sachantque la puissancemaximale est une contrainte importante de conception, à la fois, pour les batteries (courantmaximal et rendement)et pour le ou les moteurs. Considérantles consommationsévoquéesprécédemmentet afrn d'assurerI'autonomiehabituellementprocuréepar les véhicules classiques,il faudrail stocker environ 40 kw.h pour 400 km en zone urbaine avec un petit véhicule 4/5 placeset environ 140 kW.h pour 600 km drautoroute avec un véhicule routier. Le stockagedans des accumulateursélectrochimiques de telles quantitésd'énergienécessiteune massede batteriede 1330kg et 4700 kg, avec une technologieplomb-acide (la plus économiqueaujourd'hui) l2l et, respectivement,400 kg et 1400kg, avec une technologie sodium-soufre(la plus performante et adaptéeà l'échelle de la traction électrique) [41. Une massede batteriessupérieureà 400 kg semble inacceptabledans un véhicule d'environ I tonne, aussi bien pour des raisons d'encombrement que de masse (comportement routier et consommation...).Enfin, soulignonsque l'énergiemassiqued'une batteriedoit être définie pour une durée de déchargedonnée (puissance),cette caractéristiquefondamentalepeut alors différer très sensiblementde ce qui est obtenu en décharge lente (voir chapitre 5). Par exemple, en déchargeune heure, l'écart entre les technologiesplomb-acide et cadmium-nickel se creuse à I'ayantagede ce demier. 55 Notons que Ie stockage inertiel (volant cinétique) qui ne permettail naguère que des densités d'énergie de 8 à 25 W.hAg (avec des matériaux compositeshaute résistancemécanique) [15] regagne de l'intérêt aujourd'hui. En effet, une "piles électromécaniques"permettantd'atteindreune densité société américaine(American Fllavheel Systems)a fabriqué des d'énergie d'environ 100 W.h/kg [48]. Chaque pile est constituée d'un volant d'inertie en fibre de carbone toumant à 200 000 trlmn associé à un rotor à aimants permanents.L'effet gyroscopique, à craindre avec ce genre de dispositif, est elliminé par I'utilisation de piles dont les volants toument en sens contraire; par exemple, le protype lmpact de General Motors serait équipé de l2 piles qui lui procureraientune autonomiede 480 km, toujours selon [48]. En outre les capacitésde charge et déchargerapides ne sont plus limitées par les processusélectrochimiquesdes batteriesçonventionnelleset peuvent être accrues. Figure -2.2- Exemplesde électriques(I 06/AX,ScooterPeugeol,J5/C2s,/Ducatto,voiturelte En outre, pour assurerle chauffage de I'habitacle,on ne peut plus compter sur les pertes du moteur, un chauffage électrique (proposé dans certaines voiturettes) grève considérablementI'autonomie. Pour assurer le confort thermique des véhicules élecftiques,on a généralementrecoursà des brûleurs à essenceou à alcool u6l. Aussi, les véhicules tout électriques proposésactuellementsont-ils exclusivementurbains; leur autonomie théorique est comprise entre 100 et 200 km avec des technologies de batteries relativement conventionnelles(plomb-acide et cadmium-nickel). Le fieinage récupératif permet d'accroîtresensiblementl'autonomie en cycle urbain (d'environ 20%), il permet, en outre, d'obtenir un fiein moteur' Pour ces raisons,il est nécessaired'avoir un systèmede conversionréversible. Pour répondre à des conditions de fonctionnementplus étendues,des solutionshybrides sont possibles[7, 18]. Elles permettentd'associerles qualités du moteur thermique qui, alimenté par du carburant,confère une autonomie impoftante, à celles du moteur électique non polluant (émissionsgazeuseset bruit). De nombr€usespossibilitésont été proposées.On peut, grossièrement,distinguer deux familles qualifiéesd'hybride série et d'hybride parallèle [91. La figure 2.3 montre schématiqu€mentles principaux conceptsde véhiculeséquipésde moteursélectriques. Dans la solution hybride série, le moteur thermique entraîneun générateurélectriquequi débite sur une batteri€ en tampon et alimente le ou les convertisseursdu ou des moteursélectriquesde traction. Le moteur thermique peut êÎIe classique (actuellement,par exemple le prototype Peugeot405 hybride est équipé d'un diesel qui enfaîne, à 3500 trlmn et à travers un multiplicateur de vitesse(rapport 5,8), un alternateurde 40 kVA, le tout alimente deux motoréducteursde 20 kW (un par roue arrière) [l0]). Le moteur principal peut être aussi une turbine qui présenteI'avantaged'une plus grande compacité (Volvo avec [8]). Ces chaînesde haction présentent,aussi,l'avantagede faire travailler le moteur thermique à vitesseconstanteou/et puissance Ia batterie pour la moyenne, peut être dimensionné un rendementoptimisé et une pollution réduite, en outre, celui-ci 56 perrnettantde fournir les pointes de puissance.L'inconvénient majeur, outre le coût élevé, est un rendement global très médiocre car l'énergie transite successivem€ntdans un nombre élevé de convertisseurs(thermodynamique, mécanique, électromécanique,électrochimique, électronique, élecfomécanique, mécanique). Dans le futur, le groupe de génération électromécaniquepourrait être avantageusement remplacépar des piles à combustible(convertisseursthermo-électriques). La motorisation hybride parallèle permet aux deux moteurs, thermique et électrique, de pouvoir fonctionner ensembles ou séparément ce qui permel de satisfaire aux objectifs routier et urbain avec un surcoût moindre. Le fonctionnementsimullané et optimisé des deux moteurs permet d'améliorer le rendementet de réduire la pollution 1201.Par exemple, Volkswagen a présentéen 1991 la "Chico" équipéed'un moteur thermique bicylindre à essencede 34 ch (25 kW) et d'un moteurasynchronede 6 kW ll0l. Certains auteurspréfèrent utiliser I'appellation"bimode" pour les véhicules utilisant 2 sourcesd'énergie: thermique (carburant)et élechique (batterieou caténaire).Dans ce cas, la dénomination"hybride" n'est utilisée que pour les propulsionsà partir d'une seulesourced'énergie(cas du véhicule hybride série décrit précédemment). Motorisations "tout élect que" et hlbrides Dansla suited€ c€târticl€,nousnousintéresserons uniquement au véhiculetout électrique, mêmesi cequenous venonsau sujetdestransmissions mécaniques et desmoteursélechiques estgénéralet applicableauxvéhiculeshybrides. -o -o -o -o :CHAINE DE CONVERSION ROI,'ES Figure -2.4- Schémr lonctionnel de la chsîne de convercion d'ënergie d'un véhicule "tout électrique" La chaîne de conversion d'un yéhicule tout électrique peut être décomposéeen élémentsdécrits dans la ligure 2.4. Il s'agit, si I'on part du réseau d'alimentation alternatif, du chargeur de batteries, de la batterie électrochimique, source embarquée d'énergie électrique, de I'ensemble cony€rtisseur électronique, moteur el commande et, enfin, de la transmission mécanique dont la fonction est d'adapterla caractéristiquemécaniquede la charge à celle du moteur. Pour l'analysede la consommationtotale, il faut aussiprendre en compte les auxiliaires comme le systèmede refioidissement (air ou eau) du moteur et de son convertisseurélectroniqueainsi que les différents accessoiresclassiquesdes véhicules therrniques (pompe d'assistancede fieinage et de direction, pulseur d'air d'habitacle,éclairage...).Nous ne nous intér€sseronsici qu'à la chaîne de traction proprement dite mais il va de soi que la lotalité des équipementsélectriques doit être optimisée pour maximiser I'autonomiedu véhicule. 57 3.1 Rapoel du principe des moteursélectromasnétioues Les moteurs élechomagnétiques,qu'ils soient de type synchrone (moteurs à courant continu à collecteur ou synchronesà commutation électronique),asynchronesou à réluctancevariable, fonctionn€nt tous sur un principe commun. Leur couple peut toujours se calculer à partir des variationsde l'énergieélectromagnétique121,221 échangéevia les bobinages d'alimentation. Même si les divers moteurs ont des performancessensiblementdifférentes, leur principe de base peut être décrit à partir de celui du moteur de type synchronedans lequel on produit séparémentun champ inducteur, dit d'excitation, et un champ induit La {igure 3.1 montre une portion d'une structurecylindrique de moteur synchronedans laquelle I'inducteur est à aimantsaltemésmontés en surface.Pour simplifier I'analyse,les conducteursde I'induit ont été placésdans l,entrefer(pas d'encoches),ceci permet de calculer les efforts directementpar la loi de Laplace.Pratiquement,les conducteursde I'induit sont presquetoujours logés dans des encoches,les efforts produits sont alors sensiblementdifférents en valeurs "instantanées,, mais conseNent la valeur moyenne calculée sur la base de la loi de Laplace. Dans I'exemple idéal considéré,I'induction sous un pôle de I'aimant rotorique s'inversebrutalementlors du changementde polarité (répartition rectangulaire).En outre, le champ d'induit, produit par les conducteurs de plusieurs phases, reste, lui aussi, constant en regard des pôles pendant leur déplacement.Cette demière hypothèseimpose une infinité de conducteursdans lesquelson inverseinstantanémentle courant à chaque déplacement angulaire infinitésimal. Notons que dans un moteur à commutation électronique en rotatlon, ce "déplacement des courants" en synchronismeavec le champ inducteur est appelé autopilotage.Il est réalisé mécaniquement dans le moteur à courant continu à collecteur où I'inducteurest fixe et I'induit toumant. électromagnétique de base (ssns encoches : bobinages dans !entefer) Principe de la gënération des effons Nous raisonnonsici sur des moteursà structurecylindrique et rotor intérieur dans lesquelsle champ inducteur est dit radial. Ce sont les structuresles plus fréquentes,rappelonstoutefois qu'il est possiblede placer le rotor à I'extérieur du stator (structuresinversées)ou, encore,que la géométriepeut être discoideà champ axial. 3,2 Pression tangenti€lle d'€ntrefer des mot€urs électromâgnétioues En supposantl'induction uniforme souschaquepôle et le coumnt total d'induit constantcomme décrit à la figure 3.1, on calcule la force résultante tangentielle FT à partir des forces de Laplace ainsi que la pression tângentiell€ oT correspondante: F r = I ( l . B . l )= B . ( t l ) . 1 B = A r - . ( 2 . n . r )B. .1A=r - S >e or =F= r o, (3.1) ou AL est lâ densité linéique (définie par rapport à la longueur de la périphérie de l'entrefer) de courant et oir r et I sont r€spectivementle rayon et la longueurdu cylindre d'entreferdu moteur. Pratiquement,I'induction d'entefer el le champ résultant(des q phases)d'induit (par exemple,répartition sinusoidale) ne sont Dasuniformes. alors : = K.< B >.A (3.2) ou K est un coefficient peu inférieur à I et ou <B> est I'induction moyennesousun pôle. On peut aussiparlerde couple par unité de volume du rotor ou du cylindre d'entrefer V" ("cylindrée"dansIe cas des moteurscylindriques), celui-ci est proportionnel à oT : Fr F.r.r C q T = = ' : (3.3) = - 2.r.r.l 2.r.r'.1 2.V. en N.m/m3 ( 34 ) Connaissantl'ordre de grandeurde la pressiontangentielleo.r, il permetd'estimergrossièrement le volume d'entrefer nécessaire pourproduire un cenaincouplemoyen. En pratique,on montreque, lorsqueI'extractiondes caloriess'effectuepar la surfacedu motcur (en conyeçuon naturelleou forcée,par circulationd'eauéventuelleà la périphérie),ce n'estpasla valeurde AL qui est directementlimitée 58 mais le produit ALe6ô (valeurs efficaces)où ô est la densitéde courantdans les conducteurs 1enA/m2). La densitéde courant peut être réduite en réalisantdes encochesprofondesmais leurs inductancesde fuites augmentent, ce qui est mauvais pour le facteur de puissance-ainsique pour les pertes par coumnts de Foucault dans les conduiteurs. Le produit AL.ô est limité à environ 35 109A2lm3 en convection naturelleet peut atteindre300.109A2lm3 en convection fo.cee. ious n'auo.deronspas ici le refroidissementpar circulation de liquide à l'intérieur des conducteursplus adaptéà de rès grosses machineset avec lequel ce n'est plus le produit A1.ô qui est limité mais plutôt la densitéde courant ô seule 1231.Dans les moteurs de traction de t'?es classiquesou spéciauxet pour le domaine étudié ici (des 2 roues au bus urbain : I kW à 200 kW environ), les valeurs de <B>, AL et ô se situent approximativementdans Ies fourchettessuivantes: 200 < AL < 3000 A/cm 5 ô. I0 A/mm2 ainsi les valeurs de ot, sensiblementégalesau 0."0",, fI- :;:t;l l,nor,r", entre l et 20 N/cm2 pour les moteurs très fort couple à grand nombre de pôles, structurescreuses(voir suite). Des valeursde I à 3 N/cm2, selon le mode de relioidissementsontassezfréquentes danslesmoteurs,'classiques,'de quelquesdizainesde N.m. On retiendra que le couple est le facteur dimensionnant dans un moteur électrique. Cependant,selon la structure et selon le nombre de pôles, le couple volumique d'entrefer peut varier dans un rapport I a ld, les puissânces élevées s'obtiennent au prix d'un accroiss€m€nt d€s vitess€sde rotâtion et de la fréquence. La vitesseest limitie, essentiellement, par les contraintesmécaniques(contraintesdans les matériaux,équilibrage...),par les pertesmagnétiques(fréquence) et par le bruit acoustique.Si p est le nombre de paires de pôles, p est aussi le rappon entre la fiéquence dialimentation et celle de rotatlon. On peut décrire le fonctionnement d'un moteur électromagnétiquepar son cycle de conversion d'énergie représenté dans le plan flux' ampères-tours.La ligùre 3,2 montre les formes d'ondeassociéesà un moteur synchroneà aimantstriphasé et alimenté en quasi-créneauxde courant par un onduleur triphasé à hois bras. Les enroulementsétant couDlés en étoile. les r courantsd alimenlationpossèdent despaliersnul de . Q = ( A + dn i Be induction d'entrçfer ç\,i qc fr ,'1r -,, 2 -3.2- Formesd'onde (llux, et cycle de moteul on peut remarquer que le courant est "en phase" avec la force él€ctromotrice de la phase correspondante,ce qui permet d'avoir un autopilotage optimal (maximum de couple moyen à courant donné). La surface du cycle décrit est égale à l'énergieconvenie W par une phasependant une période électrique.S'il y a q phaseset p paires de pôles, on a les relations suiYantes; P=q.f.w=c.o (35) P est la puissance électromagnétique, fest la fréquenceélectrique,C estle couplemoyenet ç) la vitessemécanique. ^ r =P; o (3.6) On peut alors exprimer le couple moyen C en fonction de l'énergieconvertiepar cycle W : (3.7) Dans, I'exemple choisi (figure 3.2), les expressionsde W et de C, en fonction des ampères-toursmaximaux nlM et de . I'induction d'entreferB, sont (d'aprèsJ35l) : w = 4 . e o . n=r ly ï! "'" =ç=1.q.8.,.t.nr* (3.8) Pour minimiser les ampères-tours,donc les pertes Joule, il faut maximiser l'induction moyenne d'entrefer B-^.,. Si celle-ci est généréepar des aimants,ceux-ci doivent posséderune aimantationélevéeà la températurede fonctionnemËii, on peut aussi les insérerentre des piècespolairesafin de "concentrerle flux". L'induction d'entreferpeut ainsi être supérieureà la Yaleurde I'aimantationdes aimants.Dans les moteursà excitation bobinée,asynchroneset à réluctancevariable, la création du champ inducteur se fait au prix de pertes Joule supplémentaireset il est nécessaired'avoir un entrefer faible pour les minimiser. En première approximation (régime non saturé),les pertes d'excitation sont, à induction donnée,proportionnelles au carré de I'entrefere. Avec des aimants,il n'existepas de telles perteset I'induction esl moins sensibleà la valeur de e. OY almants intérieurcreux ou arbre rolonques culasses grând nombre de paires de pôles 2 paires de pôles Figure Moteurc ù aimants clsssique et pan-cske (grund nombre de et rotor creux) On p€ut remarquer que l'expression du couple moyen est indépendantedu nombre de pôles. Cependant, si l'on considèreun encombrementlimité (diamè1reextérieurfixé) et si l'on augmentele nombre de pôles, le flux produit par chacun d'eux diminue. Aussi, pour une induction maximale donnée, l'épaisseurdes circuits de culassepeut-elle être réduite. Si le nombre de pôles croît, I'optimisation des dimensionsd'un tel moteur conduit, oute à une diminution de l'épaisseurdes culasses statoriquçset rotoriques (support des aimants),à un rayon d'entreferqui se rapprochedu rayon extérieur. On arrive ainsi à des "pan-cake" est moteurs creux dans lesquels la matière active se trouve loin du centre. Cette technologie de moteurs, dite utilisée pour le positionnem€ntpar entraînementdirect. Alors que le couple massiquedes moteurs à aimants performants et à "pan-cake", des faible nombre de pôles (inférieur à 6 ou 8) dépassentdifficilement 3 N.m/kg, on obtient, avec les structures valeurs très importantes allant jusqu'à l0 N.m,&g environ (pour des couples de plusieurs centainesde N.m). Mais pour des raisons essentiellement thermiques, il est difficile de dépasser 100 kA/m de densité linéique de coùrant. Ces valeurs permettenttoutefois d'envisagerdes enhaînementsdirectsde roues. FîrÛFd Principe Exemple de moteur réalisé ttflux -3.4bsnsverse" Figure Moteurs à bobinages globaux et Une autre voie est possible pour accroître encorele couple massiquedes moteurs synchrones.Il s'agit de I'utilisation de structuresà bobinagesdits globaux. Un enroulementconcenûéunique par phasepermet de magnétisersimultanémentun "à très grand nombre de pôles d'induit. Par exemple, les structuresà aimants permanents flux transYerse"124' 251 (les flux induit et inducteur suivent un trajet transversal au sens du déplacement) permettent d'atteindre des couples massiques exrrêmementintéressants: un moteur de 600 N.m (oT = l8 N/cm') a été réalisé avec une masse active de 14 kg [24l La figure 3.4 montre schématiquementle principe ainsi qu'une coupe du moteur évoqué. Dans de telles machines, l'énergie convertie par cycle est proportionnelle aux ampères-tourstotaux et non aux ampères-tourspar pôle comme dans les moteurs (expression3.8), le couplemoyenseûouve ainsimultipliépar p : classiques --t =q p.2 w:4.ç".nlM - 4.B.s".nlM B!r'nJtl 7l (3.e) du nombrede estindépendante d'entreferdonnées, ou S€ estla surfacedespôlesdansl'entrefer.Celle-ci,pourdesdimensions pôles. On a supposé,ici, une alimentationen créneauxde courantparfaits (rapport cyclique t/z). Si, en première il à p. Pratiquement, p, le couplecroîtproportionnellem€nt lorsquel'on augmente l'inductionB resteconstante approximation, le couple. p maximisant de valeur optimale il existe une reste constant, faudraitdiminuerl'entrefere quandp augmente;si e 60 cette optimisationestréalisablepar calculsde champpar élémentsfinis à bobinages [26]. Grâceaux structures globaux,ici à flux transvers€, on obtientdescouplesparticulièremeni élevés.L'inconvenient majeurrésidedansla difficultéde réalisationde cesmachinesplus complexesque les moteursclassiques dont le circuit magnétique est réalisépar de simplesempilagesde Îôlesferromagnétiques. Malgréce problème,desmoteursà flux transverse ont été réalisés"t uiiliré, pour réaliserun bus à plancherbas[lll Deux rouessontmotorisées chacunepar un moteurà flux transverse aeriu.-t un "olfi" de 740ll100N.m et une puissance de 57 kW entre750 et 2440r.lmn.Chaquemoteurest associéà un réducteuret I'ensemble est intégréà la roue LorsqueIa sourced'énergiedu bus (bimode)est son moteurdiesel,ce dernier entraîneun altemateur,lui aussi,de technologie flux transverse et d'unepuissance de 135kW à 2200trlmn. 3.3 Accroissementd€ la yit€ssede rotation. limite de fâisabilité Pour obtenir des grandespuissancesmassiques,sachantque Ie couple est un facteur dimensionnant,il est intéressant . de toumer à vitesse élevée Comme les fréquencesd'alimentationsont limitées par les pertes magnétiques,si la vitesse de rotation doit être élevée, le nombre de pôles se ûouve réduit à une ou deux paires. Les structuies dË moteurs sont alors relativement classiques'de type cylindrique, à enroulementsrépanis et "flux longitudinal,,(par opposition â transverse).La vitessemaximale de rotation ne doit pas dépasserdes valeursconespondantesà la vitessepeiiplerlque maximale du rotor qui donnelescontraintescentrifugesmaximales.En effet,on montre [23[ que cettevitessepériphérique maximalevaut: | -l 1., l-linite I {1.r0) l'.^ vc.dl ou o,,'n,,"-il.â-*-iiEËte (N/m) limite de résistanceà la traction du matériau en rotation (supposé massif), c est un coefficient (compris entle 0,4 et 1) fonction de la forme du rotor et du coefficient de Poisson du .àié.iuu (pour un cylindre massif en acier, C=0'41) et d est sa massevolumique.Pratiquement, les vitessespériphériquesmaxirnales,que l,on peut atteindre[27]' sont comprisesentre 50 m/s (collecteuret induit d; Mcc, limite due plus à ia tenue des lames et des connexions au collecteur) à 300 m/s (machinesasynchronesà rotor massif ou machinesà réluctàncevariable, sous vide partiel à causedes pert€saérodynamiques). Il existe des moteurs asynchronesà câge fonctionnantà 150 m/s et des moteursà aimants liettés à 200 m/s. En outre, un moteur fonctionnant à vitessevariable doit travailler en dessousde sa premièrevitessecritique correspondantà la tiéquence du premier mode de vibration de flexion du rotor sur sespaliers. cette condition impose une àistancemaxrmateentre paliers, lorsqu'elle est associéeà la condition de vitessepériphériquemaximale, on obtient une valeur limite du rapport rayon r du rotor sur sa longueur I [23] qui se résumeen pratique à: i l l -=-< L.l.-' ( 3 r. l ) compte tenu des conditions de relloidissement (exfaction des calories par la surface) et de la pression tangentielle que I'on peut obtenir, on peut montrer [23] qu'il existe une limite de faisabilité àans le plan iroduit lcouple rnaxi*vitesse m a x i l - v i t e s s em a x i m a l et e l l eo u e . (3.12) sensibleà la températureacceptableainsi qu'aux performancesdu systèmede dissipationthermique. 200000-_ l0 000trlmn+ lkw Figure -3.5- ll l 2 l,' 5 t - 10kw _l 20 50 * l00kW 200 [couplemâxi vitessemaxil de vilesse moximale en du pour des machines cylindriques (à IE0 m/s) * [couple maxi vilesse ma,ri] La ligure 3.5 montre, dans le domaine de puissancesqui nous intéresseici, la vitesse maximale qu'il est possible d'aneindre avec une vitesse périphérique d'environ 180 m/s (la àroite limite inférieure correspond à une vitesse de 150 m/s, moteurs asynchronesà cage). Ces courbes limites ne traduisentpas du tout les pertes et le rendem€nl. Dans ces moteurs, il devient indispensablede comptabiliser les pertes magnétiqueset aérodynamiquesqui ne sont plus négligeablesdevant les 61 dans maximaledu moteurseulement maxi] conespondà la puissance pertesJoule.Attention, le produit[couplemaxi*vitesse maximaleà c€ttevitessemaximale.Donc,en casd'un moteur le casoù il s'agitd'un moteurconçupour avoir sa puissance maximale PMC,(voir chapitre4) dansuneplagede I à krr, la puissance maximaleconstante, devantfonctionnerà puissance ô à vitessemaximaledonnée la limite de puissance ce qui estdoncplus contraignant:maintenant estatteinteà la vitesseP Ko se trouve divisée pâr k..,. Exemole Les puissancesmassiquesatteintespar de tels moteursse situent aux alentoursde quelqueskw,4(g. Prenonsl'exemple d'un moteur de 30kW devant fonctionner à PMC dans un rapport de I à k()=4, il faut considérer un produit [couple maxi*vitesse maxi] égal à 120 kW, la vitesse maximale faisable vaut alors 60 000 tr/mn et le couple nominal de ce moteur vaut l9,2N.m à l5 000 trlmn. Si la pressiontangentiellevaut 2N/cm2, le couple volumiqued'entrefervaut, d'après(3.4), 40 kN.m/m3, soit un volume d'entreferde 0,48 dm3. Si le rapport du rayon extérieur sur le rayon d'entrefervaut environ 2, cela total de l,9dm3, en considémntune densité moyenne de 5 kg/dml. la masse donne un volume électromagnétique électromagnétiquevaut 9,6 kg. Si on ajoute 3 kg de masses inactives (roulements, flasques...), on obtient une puissance massique de 2,4 kWkg. Notons que si la puissancemaximale avait été obtenue seulementà la vitesse maximale (pas de fonctionnementà puissancemaximale constante),une vitessemaximale de 100 000 trlmn aurait été possibleet le couple aurait été plus faible (2,9N.m) et le moteur aurait été encore beaucoup plus léger (avec l,5N/cm2, Mu.,= 2,2 kg, on atteindrait environ l0 kW&g). Mais quelle boite de vitesses(voir chapite 4) permettraitle fonctionnementd'un tel moteur ?! On peut dégagerde cette première analysedes possibilitésdes moteurs électromagnétiquesque l'on peut réaliser des moteurs: - à grand nombre de pôles et à très foft couple massique(plus de l0 N.m/kg), relativementlents ; - à faible nombre de pôles et à très gnnde vitessede rotation pour avoir une grandepuissancemassique: - ,'classiques",c'est à dire de structureconventionnelle,toumant relativementvite pour avoir une puissancemassique satisfaisantemais sansexploit technologique. "classioues" 3.4 Types de moteurs électrioues Parmi les moteurs classiques,le moteur à courant continu à collect€ur (MCC) €t à excilation indép€ndante confère. encore actuellement, la solution la plus économique grâce à son convertisseurd'induit de type hacheur à deux interrupteurs(l'inducteur est aussialimenté par un hacheurde petite puissance).C'est la technologie retenuepar de nombreux construçteursautomobilespour la commercialisationdes véhicules électriquesde première génération.Mais Ie MCC possède un certain nombre d'inconvénients bien connus et il sera très probablement remplacé par des moteurs à commutation électroniquedans les générationssuivantes.Citons quelques-unsde ces inconvénients: - l,usure des balais, voire du collecteur, nécessiteun entretienpériodique et produit des poussièresconductricesqui finissentpar nuire à l'isolementdu collecteurlui-mêmeet de I'induit; - la commutation mécaniquerequiert des pôles de commutation et des enroulementsde compensationqui accroissent le volume : - l,induit tournant, sourcedespertesprincipales,ne permet pas un r€lioidissementefficace, à I'eaupar exemple,ce qui limite les possibilitésde hautesperformances; - la vitessepériphérique du collecteur et de I'induit est limitée à 50 voire ?5 m/s ce qui ne permet pas d'atteindre les vitessesélevéesnécessairesà une puissancemassiqueconvenable. - si l,excitation çst à aimants, il n'est pas possible de foumir la puissancemaximale (voir chapitre 4 : ce type de fonctionnementpermet la suppressionde la boite de vitesses)sur une plage de vitesseétendue(il faudrait pouvoir décaler les balais...). parmi, les moteursà commutationélectroniquecitonsbrièvement(les publications[28' 29,301 proposentquelques élémentsde comparaison): - le moteur synchrone à rotor bobiné (MSRB) alimentépar un onduleur en pont à 6 transistors.C'est le moteur dont Ie les caractéristiquesse rapprochent le plus de celles du MCC à excitation indépendante,il permet d'optimiser facilement est aisé à obtenir constante puissance maximale à Enfin, le fonctionnement d'induit). (action le courant sur le flux et rendement sur une très large plage de vitesse.Son rotor bobiné est cependanlsourcede perteset sa vitessemaximâle est limitée à 130 m/s environ[27]. - le moteur synchrone à aimânts permânents (MSAP) alimentépar onduleurtriphasé.Il existe de nombreuses "enterrés" avec ou sans façons de disposer les aimants au rotor (en surface insérés ou non entre des pièces polaires, "fonctionnement à puissanceconstante",il est nécessaireavoir un€ réaction concentrationde flux). Si l,objectif est d'obtenir un "enterrés" d'avoir des aimants il est nécessaire et l37l (voir figure 3.6) ou d,induit importante (udicieusement optimisée) d'aimants à hautes de disposer à condition est excellent moteurs de tels insérés entie des pièces polaires. Le rendement automobile et la I'industrie avec compatible pas un coût avoir ne semble performances. La technoiogie samarium-cobalt €t le prix Ce en température qui la tenue concerne progrès en ce quelques faire iechnologie fer-néodyme-boredoit encore ferrites, dont le prix âux électriques. des moteurs le domaine dans Quant demier type d'aimants constitue un espoir important oz estacceptable en productionde grandesérie,ils confèrentdesperformances relativement modestes aux MSAP maisne sont pas à exclure.Les MSAP sont souventretenuspour l'entraînement de véhiculesélectriqueset, particulièrement pour les entraînements directsde rouesI4l l. Figtre -3.6- Struclurcs des roto6 des moteurs MAP, MSJ|RV, MRVDS - le moteur asynchrone à cage d'écureuil (MAS), alimenté lui aussi par onduleur triphasé,est une solution envisagéepar de nombreux constructeurs [3El car ce moteur est bien connu et, surtout, on possède l'expérience de sa fabrication en série. Le contrôle vectoriel permet d'obtenir de bonnesperformancesde I'arrêt aux vitesseséleyéeset, associéà un contrôle appropriédu flux, Ie rendementpeut être optimisé. Son rendementest moins bon que celui des moteurssynchrones car il "fauÎ" des pertes Joule au rotor pour avoir du couple, c'est son principal inconvénient.La cage d'écureuil autorise des vitessespériphériquesde 150 m/s moyennantun bon équilibrage.Le "fonctionnementà puissanceconstante"est aussipossible mais la plage de vitesseest limité€ par le npport du couple maximal (sommet de la caractéristiquede couple à flux maximal) sur le couple "nominal". Cette contrainte conduit, quelquefois,à sous utiliset le moteur en couple (nominal) pour étendre sa plage de vitesse. - le moteur synchrone à réluclânc€ variabl€ (MSyRV) constitueune solution envisagéepar FIAT [311. Il s'agit d'un moteur synchrone à bobinage triphasé réparti et alimenté par onduleur triphasé en pont classique. Pour obtenir des performancessatisfaisantesaussi bien en terme de couple/pertes,de facteur de puisssanceque de plage de fonctionnement à puissancemaximale constante,il est nécessaired'avoir un grand rapport des inductancesdirecte sur transverse.Un rapport supérieurou égal à l0 (satisfaisant)est atteint grâceà la construclionde rotors spéciauxdits "axialementlaminés" [321.De tels rotors sont constituésde paquetsde tôles intercalésentle des couchesamagnétiqueset montés axialementde telle façon que le flux, dans l'axe direct, passeaisémentd'un pôle à I'autre(voir figure 3.6). Les performancesde ces moteurs sont supérieuresà celles des moteurs asynchronesmais cette technologie de rotor reste aujourd'hui délicate à réaliser et il reste à trouver des solution pour la fabrication en série -le moteur à réluctance variâbl€ à double saillance (MRVDS) [33] (voir figure3.6) dont les phasessont alimentéesen courants unidirectionnelspar des demi-pontsasymétriques(voir figure 3.7). Ce moteur constitue certainement la solution la plus économique l34l grâce âux matériaux utilisés (tôles fer-silicium et cuiwe) et à sa simplicité de fabrication (empilage de tôles, bobines préfabriquées,rotor passif naturellementéquilibré...). Sesperformancespeuvent être comparables à celles des moteurs à aimants permanents1351.Il peut aussi fonctionner à puissancemaximale constante.Mais il produit un couple très pulsatoireà hautevitesseet génèreun bruit acoustiquesupérieurà tous sesconcurrents. 3.5 Les semi-conduct€ursde puissallce Pour optimiser le rendement mais aussi pour obtenir un bon contrôle des caractéristiques,l'utilisation d'un convertisseurstatique à semi-conducteurssemble incontoumable. Dans la chaîne de conversion d'énergie, il représenteun maillon très important car il est sourcede pertesélevées(même ordre de grandeur que celle du moteur) et parce que -sonprix est encoresouvent inacceptable(MCE). La ligure 3.7 monûe deux structuresde convertisseursutiliséespour I'alimentationdes moteurs à commutation électronique: I'onduleuren pont triphasé(MSRB, MSAP, MAS, MSyRV) et l'onduleuren demi-pontsasymétriques (MRVDS). Les tensions batteriesactuellement proposéessont encorebasses:environ 100 à 150V pour une puissancemaximaled'environ30 kW, ce qui donne des courantscommutésde I'ordre de 300 à 400 A. Si la tension batterieétait doublée, les courantsseraient.bien sûr, diviséspar deux. Sous 100 V ou plus, la seuletechnologiedisponibleactuellement pour commuter"économiquement" de tels courantsest I'IGBT. En effet, les surtensionsde commutation sont de I'odre de la centainede volts et le drmenstonnemenren tension des semi-conducteursdoit êtle d'au moins 250 V. Dans ces conditions, le transistorMOS est mal adaptécar il requiert une surface de silicium prohibitive et le transistor bipolaire nécessiteune commande de base trop gourmande en énergie, le Darlington, quant à lui, ne permet pas une liéquence de découpageultrasonoresouhaitablepour le confort acoustique. 63 - pr€r i l:-li --ir*-r '....f111.... - ,i"-' ' ' . . .,'' : !. :' \ '1'v mlos FiglJre -3.7- Exemples de conve isseurc slatiques el delotmes d'onde d'alimentation. La réalisation d'un commutateur électronique requiert une surface de silicium fonction de la tenue en tension maximale du composant et de la chute de tension au courant commuté 1471.En outle pour les composantsbipolaires dont I'IGBT fait partie, il existe un compromis, à la fabrication, entre la chute de tension et la rapidité (énergie perdue aux commutation, plus particulièrement au blocage). Typiquement/pour réaliser un IGBT 600V-400A avec 2,5 V de chute de tension, il faut environ 4 à 7 cm' de silicium selon la rapidité souhaitée.Les fabricants proposent ainsi des versions faibles chutesde tension (sous entendupertes de commutation élevées)et très rapides (sous entendu: chute de tension plus élevée). Les densités de courant sous 600 V (la plus basse tension chez la grande majoiite des fabricants de gros IGBT, sauf IntemationalRectifier: 250 V) sont d'environ0,7 à I A/mm' selon la rapidité.Sous250 V, cettedensitéde courantpasseà enyiron 2 A/mm' pour une chute de tensionmaximale de 1,8 V mais avec des pertesde commutation assezélevées(0,27 mJ/A sous 150V). En conclusion, on voit, d'une part, l'avantageapporté par une tension de batterie élevée (300 V s€rait une bonne valeur) et, d'autre part, I'intérêt de bien optimiser les composantsà I'application. Les pertes de conduction et de commutation sont encore trop élevéespour un coût en Àemi-conducteursdifficile à accepter. Il faudrait donc des interrupteurs statiquesà plus faible chute de t€nsion et aussi faciles à commander (entrée capacitive)que les IGBT. Le MCT (MOS ControlledThyristor),qui a fait son apparitioncommercialeen 1992/93(Hanis), pourrait aller dans ce sensmais il va falloir encore attendrequelquesannéespour avoir les performancessouhaitéesavec les calibrescourant-tensionnécessaires[361. Enfin, lorsque I'on conçoit un convertisseur,il ne faut pas oublier les principaux composants réactifs, ici, Ies condensateursde découplage. Ceux-ci représententune part du prix et un volume non négligeables.Les fonctions de ces condensateurssont, d'une part, de maintenir la tension aussi constanteque possible aux bornes du convertiss€ur malgré I'impédance des connexions et de la banerie eÎ, d'autre part, de lisser partiellemcnt le courant appelé à cette demière. L'ensemble des condensateursde découplagedoit supporter des forts courants efficaces et avoir une tlès faible impédance série à la fiéquence de découpage.Sous des tensions inférieures à 200 V, les technologi€s électrolytiques aluminium et polyestermétallisé à armaturesont les qualitésrequises,les céramiquesmulticouchesofllent le volume minimal mais à un prix prohibitil Le rendement de conversion de la banerie sera d'autant meilleur que le coumnt efficace appelé sera minimal, il est donc, a priori, de minimiser I'ondulation du courantabsorbépar I'ensembleconvertisseur-moteur. 3.6 La commandeélectronique L'une des priorités de la commandeest d'optimiser le rendementde la chaînede conversionquels que soient Ies points de fonctionnement.Les paramètresd'alimentationdu moteur électriquedevront ainsi être constammentoptimisés [39,491, non seulementen fonction du couple et de la vitesse,mais aussien fonction de la tension batterie fortement fluctuante en fonction de l'état de charge, de I'intensitéconsomméeet de son signe. Ceci est parfaitementpossible avec des processeursnumériques maintenantcourammentutilisés pour le pilotage des moteursélectriques. 64