Dimensionnement de la génératrice étude théorique

27 janvier 2012
Note d’application
Dimensionnement de la génératrice : étude
théorique
Mohamed EL MAMOUNI & Lahoucine MEROUHAHEL
Projet P11A08 Simulation et détermination des paramètres de
fabrication optimaux d'une génératrice "plate"

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Table des matières
1) Introduction……………………………………………………………………………3
2) Aimants permanents…………………………………………………………………4
3) Induction magnétique………………………………..………………………………4
4) Bobinage………………………………………………………………………………6
5) Diamètre de l’entrefer………………………………..………………………………7
6) Paramètres électromagnétiques……………………………………………………9
7) Autres paramètres ou caractéristiques de
dimensionnement…………………………………………………………………….9
8) Validation de performances par l’analyse numérique (éléments finis)
……………………………………………………………………………………..…11
9) Conclusion………………………………………………..………………………..…13

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1) Introduction
Le dimensionnement des machines électriques est une phase très importante
lors de la conception d’un dispositif électrique. En dépit de la précision de l’analyse
numérique donnée par les outils informatiques actuels ne peut jamais remplacer
l’étape analytique en vue de la détermination des différents paramètres électriques,
magnétiques et géométriques d’un dispositif electrique.
Cette étude porte sur une génératrice développée par l’entreprise Windela afin
de fournir en énergie un système d’éclairage public éolien. La difficulté pour une
application de ce type est de récupérer de la puissance du vent, qui à basse altitude,
est rarement constant. Il est donc difficile de concevoir une génératrice performante
pour ce type de fonctionnement.
Nous allons aborder les points importants concernant le dimensionnement des
machines synchrones à aimants permanent et apporter des solutions afin d’améliorer
la génératrice Windela.

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2) Aimants permanents
 Pourquoi les aimants permanents ??
Actuellement, l’excitation des machines électriques se fait par deux façons essentielles :
- un bobinage alimenté en courant alternatif (machine asynchrone) ou continu
(machine synchrone ou à courant continu) ;
- des aimants permanents.
Des aimants permanents (MP) sont des composantes essentielles de plusieurs machines
électromécaniques et des appareils électroniques, mais ils sont généralement cachés dans
des sous-ensembles. Les concepteurs de systèmes et les utilisateurs finaux ne donnent
souvent aucune pensée à la façon dont le choix et l'utilisation du matériau à aimant
permanent affecte les performances, la taille et le coût du produit.
Pour pouvoir répondre au cahier des charges, on devrait poser la première question : quel
est le critère pour choisir la meilleure méthode d’excitation ?
Développements révolutionnaires ont récemment eu lieu dans l'ancien domaine du
magnétisme permanent, ferrites durs est devenu un matériau magnétique abondante bon
marché tandis que les aimants de terres rares a soulevé le plus élevé des produits
énergétiques disponibles 4 à 5 fois. En conséquence, un rapide élargissement des usages
aimant se produit actuellement, les dispositifs traditionnels sont miniaturisés, de nouvelles
applications et de concepts de design basé sur les aimants permanents pour deux raisons :
- Dans le mode traditionnel (excitation à travers le bobinage), le champ magnétique
est produit à partir d’autres sources supplémentaires d’alimentation qui implique des
pertes dans le cuivre, des couts supplémentaires pour la mise en place de cette
source.
- De plus, l’aimant représente lui-même une source efficace pour créer le champ
magnétique dans les machines électriques et donc améliorer le rendement et le cout
de la machine simultanément.
N.B.
Le champ magnétique produit par l’aimant permanent est fixe ce qui limite l’implémentation
de ces matériaux dans des applications qui nécessitent la variation de vitesse.
3) Induction magnétique :
Les machine électriques sont des actionneurs ont pour objectif de :
- Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique (moteurs…)
- Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique (alternateurs …)
- Transformer de l’énergie électrique en énergie électrique (paramètres
d’entrées/sorties différents (transformateurs …).
La réalisation de cette conversion est assurée par l’intermédiaire de la force magnétique, et
le principal facteur qui intervient c’est l’induction magnétique B, ou l’induction dans
l’entrefer pour les machines électriques.
Pour un circuit magnétique simple, on exprime la loi d’Ampère :

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Avec : H intensité du champ magnétique,
Ha épaisseur de l’aimant,
e épaisseur de l’entrefer.
Les champs magnétiques dans l’entrefer et de l’aimant ont pour expression :
Avec : μ0 perméabilité de l’air.
Et donc on peut obtenir l’induction dans l’entrefer :
Avec :
μ0 et μra respectivement perméabilité du vide et relative de l’aimant.
Par conséquent, on peut la détermination d’une grandeur très importante pour le
dimensionnement des machines électriques : c’est l’induction dans l’entrefer. Le tableau ci-
dessous montre les relations pour différentes formes de l’aimant :