Éco-conception Moteur Synchrone Aimants Permanents Traction Automobile

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Éco-conception d'un Moteur Synchrone à Aimants Permanents via un Modèle
Analytique pour la Traction Automobile
Conference Paper · December 2011
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R.-B. Mignot
University of Franche-Comte, FEMTO-ST
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Article final de Romain-Bernard MIGNOT _ soumission d’une communication à la conférence JCGE’2011 1/10
Conférence jeunes chercheurs en génie électrique
13 décembre 2011
Éco-conception d’un Moteur Synchrone à Aimants Permanents
via un Modèle Analytique pour la Traction Automobile
Romain-Bernard MIGNOT
Laboratoire FEMTO-ST - 90000 Belfort, UMR 6174 CNRS
Société Phenix-International - route de Noiron - 70100 Gray
RÉSUMÉ – Le projet TRAX vise à développer une génération de moteurs électriques (7,5 à 15 kW) pour les
chaînes de traction. Les véhicules visés sont « tout électrique », sans réducteur, de la gamme des quadricycles
lourds. Ce projet lie l’innovation industrielle et les sciences de l’ingénieur.
Les deux objectifs de ce projet sont, en premier lieu, de concevoir une motorisation innovante et réalisable
industriellement en série et, en second lieu, de recourir à un modèle analytique complet afin de concevoir et
optimiser une motorisation électrique fiable et performante.
Afin de répondre, industriellement, aux deux objectifs précités, des innovations telles que l’isolation des parties
actives, la connectique statorique, s’alliant à un process industriel simple ont été mis en œuvre. Scientifiquement,
la conception électromagnétique par modélisation analytique a permis de réaliser une machine proche de son
optimum physique. Pour ce faire, un dimensionnement via un modèle analytique (M.A.) résolvant les équations
de Laplace/Poisson par la séparation des variables est créé.
Les résultats du M.A. sont comparés à ceux délivrés par un modèle par éléments finis (M.E.F.) ainsi qu’à ceux
obtenus sur banc de tests. Le M.A. ainsi validé a ensuite être utilisé par la société demandeuse du projet afin de
répondre rapidement à d’autres cahiers de charges (C.d.C.).
MOTS-CLÉS – Innovations Industrielles, Modélisation Analytique (M.A.), Essais sur banc de tests.
1. Introduction
L’extrait du C.d.C. (tableau 1) impose tout d’abord, d’un point de vue industriel, de concevoir, pour le
stator, de nouvelles connectiques et isolations originales des bobines. Cet ensemble, tout en étant brevetable
et innovant, doit être plus économique en matières premières et en temps de process. Cette orientation
contraignante a imposé de choisir une structure physique de motorisation permettant de répondre
favorablement aux attentes d’innovations industrielles, tout en permettant l’accès à une modélisation
analytique (M.A.) qui est le second point imposé par le C.d.C.. Concevoir une motorisation via un M.A. a
comme but de pouvoir, tout d’abord, s’implanter dans un processus de dimensionnement optimal et, ensuite,
être utilisable pour répondre à d’autres C.d.C.. La validation du M.A. s’effectuera par un comparatif avec une
M.E.F et par des essais sur un banc de tests.
2. Le cahier des charges
Le véhicule électrique (figure 1) de la catégorie « Quadricycle Lourd », doit se déplacer à une vitesse de
110 km/h. Réglementairement, la puissance est limitée à 15 kW [12]. Le lien moteur/véhicule est
l’entraînement direct. Il y a un moteur couplé sur chaque roue avant.

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Tableau 1. Caractéristiques techniques du véhicule
véhicule
V : 90 km/h
Pneu :
135/70-R15 U
dc batterie : 350V
γ
: Accélération sur plat :
0 à 50 km/h en 13s
x
C
: 0,35
véhicule
m :850 kg
ente
P
à 50 km/h : 11%
frontale
S : 1,8m²
roulement
K : 0,01
Figure 1. Prototype Citizen_Citi Technologie
3. Le couple résistant à l’avancement
En appliquant la seconde loi de Newton (1), on obtient
r
F
l’effort résistant à l’avancement puis le
couple résistant
r
C
.
( )
2
1
. . . . . . . .sin. tan .
2 100
ente
r x
roulement véhicule aéro frontale véhicule véhicule
véhicule
P
F K m g S C V m g Arc m
ρ γ
= + + +
[N] (1)
L’équation précédente et le C.d.C permettent
de calculer le couple, la vitesse de rotation et la
puissance du moteur pour des points de
fonctionnement définis par trois grandeurs : la
vitesse, l’accélération du véhicule et la pente de la
route.
Les caractéristiques limites dans le plan
couple/vitesse sont présentées par la figure 2.
0
40
80
120
160
0
500
1000 1500 2000
Vitesse de l'axe moteur
Couple sur l'axe moteur
Figure 2 : Caractéristiques limites dans le plan Couple/Vitesse
4. Choix de la motorisation
La conception d’une machine électrique suppose de bien choisir, au préalable, la configuration du rotor
[1] et, en second, la réalisation du bobinage statorique [2]. En fonction d’un nombre important de paramètres,
l’utilisation d’une motorisation à rotor interne avec des A.P. de haute énergie en surface est retenue. Le
besoin du C.d.C. de ne défluxer que faiblement conforte ce choix. Concernant le bobinage, une structure
triphasée favorisant la production d’une f.é.m. sinusoïdale est recherchée. Afin d’avoir des têtes de bobines
les plus faibles possible, le bobinage à pas dentaire est privilégié.
5. Innovations industrielles
Le travail d’innovation s’est concentré en premier sur le stator (figures 3a, 3b), ensuite sur la connectique
(figures 4a, 4b), puis sur le rotor (figures 5a, 5b). L’objectif d’ensemble est de lier la nouveauté
technologique à un gain en coût de production et à une solution « process » performante. L’ensemble de ces
pièces, de conception simple et rapide, permet l’exécution du bobinage en grande série.
5.1 Conception du stator
Le stator est conçu par un assemblage de dents préalablement découpées une à une (figures 3a, 3b) et
bobinée quatre par quatre. L’objectif est la possibilité d’obtenir le coefficient important de remplissage des
encoches tout en gagnant en épaisseur des têtes de bobines.
Le bobinage est réalisé directement sur le paquet de tôles, avec un mylar de protection de faible épaisseur
et deux demi-joues qui assurent le rayon de courbure intérieur du fil. Cette technique permet de réduire
l'investissement en outillages de moulage et de gagner de la place pour le bobinage.

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Figure 3a : Dessin de l’isolation des dents du stator Figure 3b : Exposition du stator en cours d’assemblage
5.2 Connectique du stator
La connectique du stator qui concerne les liaisons inter-bobines et l’alimentation extérieure (figures 4a,
4b), s’effectue par une entretoise de jonction. Celle-ci permet la liaison des entrées et des sorties du bobinage
statorique grâce à des pistes conductrices qui se fixent sur l’entretoise par bouterollage.
Figure 4a : Visualisation 3D de la connectique Figure 4b : Réalisation de la connectique
5.3 Conception du rotor
La culasse rotorique (figures 5a, 5b) est constituée de 4 paquets de tôles de faible épaisseur qui permet un
gain en matière première par rapport à une découpe circulaire pleine.
Figure 5a : Visualisation 3D du rotor Figure 5b : Réalisation du rotor
5.4 Montage de l’ensemble
Le stator est positionné dans la chemise dilatée car préalablement chauffée. La motorisation complète est
présentée en figure 6a et 6b.
Figure 6a : Visualisation 3D du moteur Figure 6b : Réalisation du moteur

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6. Conception électromagnétique par M.A. et comparatifs
Dans une phase de conception industrielle, il est indispensable d’accéder et/ou de modifier très
rapidement les résultats électromagnétiques principaux. La phase d'optimisation à travers une méthode
numérique impose, pour chaque modification de la géométrie, de lancer une résolution numérique et d'en
analyser les résultats. Ce procédé est long et contraignant. C’est pourquoi, les solutions analytiques, grâce à
un minimum d’hypothèses [3], peuvent résoudre presque tous les problèmes évoqués ci-dessus. Les M.A. ,
s’exprimant sous forme de séries de Fourier, peuvent alors être implantés dans un processus de
dimensionnement optimal. Un état de l'art de nombreux M.A. 2-D peut être trouvé dans [4, 5].
Les résultats analytiques ont été comparés aux simulations numériques obtenues par la M.E.F. [10] puis
confrontés aux essais expérimentaux afin d'en analyser leurs pertinences et utilités industrielles.
6.1 Conception du Modèle Analytique (M.A.)
Le M.A. qui a été développé en 2-D est basé sur la résolution formelle des équations de Maxwell en
négligeant les effets de denture contrairement à [4-6]. Ce M.A. permet de déterminer les expressions
mathématiques régissant les différentes grandeurs locales et intégrales de bases (i.e. aimantation, densité de
courant, distribution spatiale du bobinage, inductions magnétiques, la force électromotrice, le couple
électromagnétique) ainsi que d’autres plus approfondis (i.e. pertes magnétiques en régime non sinusoïdal
d’induction).
6.2 Description de la machine et hypothèses de modélisation
La figure 7 représente une coupe transversale de la machine en appliquant le coefficient de Carter
c
K
[9].
Les principaux paramètres de cette géométrie sont :
′
s
R
le rayon du stator corrigé par
c
K
;
m
R
le rayon des
AP ;
r
R
le rayon de la culasse rotorique ;
′
g
l'entrefer réel corrigé par
c
K
;
m
h
la hauteur des
AP ;
= ⋅
m p p
Θ α Θ
l'angle mécanique des AP avec =
p
p
Θ π
l'angle mécanique de l'ouverture polaire et
p
α
le coefficient d'arc polaire des AP ;
p
le nombre de paires de pôles.
Aimants permanents
x
Stator équivalent lisse
y
z
0
r
s
R
′
r
R
g
′
Entrefer réel modifié par
le coefficient de Carter
p
p
π
α
r
Θ
m
h
r
u
Θ
Culasse rotorique
r
u
m
R
Espace inter-aimant
r1
1
µ =
rem
1
µ =
Sta
µ → +∞
Rot
µ → +∞
r2 rm
µ = µ
Densité linéique de courant
rm
B
3P
J
Θ
Figure 7 : Coupe transversale de la MSAPMS après application du coefficient de Carter
6.3 Détermination des paramètres de base du modèle analytique
 L'aimantation
M
des AP :
D'après [4, 9], l'aimantation
M
est donnée par :
Θ Θ
= ⋅ + ⋅
r r
M M u M u
r
M
et
Θ
M
représentent la composante radiale et tangentielle de l'aimantation,
r
u
et
Θ
u
représentent les vecteurs unitaires de chaque composante.
(2)
Espace inter-aimants