La machine synchrone

Différentes appellations Moteur Brushless ou moteur sans balais Machine synchrone auto pilotée (machines pilotées en courant) Moteur auto synchrone Servomoteur à aimants

PRINCIPE

Production des champs tournants Les bobines du stator alimentées par un système de courants triphasés équilibrés, produisent un champ statorique tournant Hs Hs Le rotor, constitué d ’aimants, produit un champ Hr S N Hr Le rotor s’accroche au champ tournant

VITESSE DU CHAMP STATORIQUE Le stator est constitué de p bobines identiques par phase qui sont parcourues par un courant de fréquence f imposée par le réseau d ’alimentation. La vitesse du champ tournant statorique est : ns = f / p = s / 2 x  x p (tr/s) La vitesse angulaire a donc pour expression : s = ns / 2 x  = s / p (rd/s)

Vitesse du champ tournant rotorique L ’interaction des champs est à l’origine du couple moteur. Ce couple électromagnétique (Tem) a pour expression : Tem = K x Hr x Hs x sin  Chaque pôle nord du rotor est entraîné par chaque pôle sud du stator  Hr Hs L’angle  est lié au couple résistant. Si sin  = Cte non nulle alors le rotor tourne en synchronisme r = s

COUPLE EN FONCTION DE L ’ANGLE  Couple T Tmax Angle  -Tmax instable Fonctionnement stable instable

Il n’y pas de couple moteur PROBLEMES POSES 1er cas Au démarrage le champ tournant Hs est instantanément à la vitesse Ws (ou pulsation ws). Le rotor a une inertie qui l ’empêche de suivre la vitesse du champ tournant de façon instantanée.  varie de 0 à 360°. La valeur moyenne de sin  = 0. Il n’y pas de couple moteur 2ème cas Sous l’effet du couple résistant, un décalage angulaire intervient dans l’alignement des pôles du rotor par rapport à ceux du stator.  peut varier au-delà de son couple maximum. Le moteur présente le risque de décrocher donc de s’arrêter.

SOLUTION AUX PROBLEMES POSES Un capteur de position placé en bout d’arbre permet de contrôler la position angulaire du rotor par rapport au stator . Un convertisseur auto pilotera à partir des informations délivrées par le capteur. Les instants de commutation des interrupteurs statiques du convertisseur sont commandés pour obtenir : s = r Pour contrôler le couple électromagnétique il est nécessaire de maîtriser la valeur de l ’angle . La fréquence des courants statoriques doit être imposée par la fréquence de rotation du rotor: s = p . r

Schéma de principe (onduleur de tension) capacité Redresseur Réseau Onduleur MS aimants i0 capteur commande Contrôle de  I0 réf L ’onduleur de tension est contrôlé en courant

Schéma de principe (onduleur de courant) sommaire Schéma de principe (onduleur de courant) Inductance Redresseur commandé Réseau Onduleur MS excitation commande Capteur i0 + - I0 réf capteur commande Contrôle de 

TECHNOLOGIE

CONSTITUTION Le moteur est généralement constitué: d ’un rotor à aimants permanents, d ’un stator constitué d ’un enroulement triphasé, d ’un capteur de position (résolver ou codeur), d ’une sonde de température, d ’un frein électromécanique.

Câblage puissance frein sonde Câblage résolver Câblage codeur sommaire Câblage puissance frein sonde carcasse Câblage résolver CM statorique Câblage codeur Enroulements statoriques Aimants permanents Sonde de température Frein à disque resolver codeur capteurs

Rotor à aimants permanents Machine 6 pôles N S Les aimants sont disposés en tuiles. Ils peuvent être collés, vissés ou enserrés dans une frette amagnétique rotor Cette solution est adoptée pour des géométries longues mais étroites . On favorise les vitesses élevées.

Rotor à aimants permanents Machine 6 pôles Pièces polaires (concentration du flux) aimants photo rotor Cette disposition permet d’avoir des inductions de 3 à 5 fois supérieures à la structure précédente On peut plus facilement augmenter le nombre de pôles Pour mieux connaître ces matériaux ; se reporter au chapitre « aimants permanents »

Rotor à aimants permanents Pièces polaires

Stator Pertes Pf dans le fer Circuit magnétique feuilletée V : volume de tôles e : épaisseur des tôles  : résistivité des tôles Bm : induction maximum f : fréquence Circuit magnétique feuilletée tôle à « grains orientés » à 3,5% de silicium pertes fer 1,4 W/kg sous 1,8T Carcasse

Stator Machine 6 pôles Bobinage phase 1 Bobinage phase 2 Bobinage

Chaque faisceau est logé dans Stator Constitution des pôles avec les enroulements 2 types de bobinages Par sections E S Par bobines E S Chaque faisceau est logé dans une encoche Toutes les sections sont identiques Toutes les sections sont différentes

Schéma des enroulements en bobines par pôle Stator 2 câblages possibles pour produire les pôles E1 S1 E2 E3 S2 Par pôles Par pôles conséquents Zone active chignon N S Schéma des enroulements en bobines par pôle

Schéma des enroulements en bobines par pôle conséquents Stator Zone active chignon E1 S1 E2 S2 E3 S3 N S Schéma des enroulements en bobines par pôle conséquents

Stator Pour produire les pôles avec des sections on procède de la même façon que précédemment. Pour la fabrication des enroulements on utilise : - un seul gabarit si on travaille en section - un seul gabarit par phase si on travaille en pôles conséquents Le chignon est moins complexe à réaliser avec des bobines qu ’avec des sections.

Le frein mécanique Entrefer 0,3 mm bobine Disque Aimant acier L ’aimant produit un champ magnétique qui attire le disque acier contre la surface de friction.  blocage du moteur bobine Disque acier Aimant permanent La bobine est alimentée en courant continu. Elle produit un champ inverse à l’aimant.  Le disque acier est libéré moyeu Surface de friction ressort Le frein est du type  « à manque de courant »

Le frein mécanique Sa vocation n ’est pas d ’effectuer des freinages dynamiques mais d ’assurer un blocage du rotor. On l ’appelle « frein de parking ». Avantages par rapport au frein à ressort : - temps de blocage très rapide (  40 ms) pour 150 à 200 ms avec les freins à ressorts. - pas de rebondissement du disque. - frein plus compact.

Le frein mécanique Caractéristique du couple de freinage Cf Cf 16V 28V Tension d ’alimentation du frein 16V 28V 24V

Contrainte thermique Attention DANGER La température de la carcasse peut atteindre des températures de 110 °C pour une température de 140 °C des bobinages

Contrainte thermique C ’est la classe des isolants qui détermine la température maximale admissible sur les enroulements d ’un moteur Extrait de la norme C51 111 La température maximale est définie pour une température ambiante de 40°C On retrouve principalement 3 classes d ’isolant Nécessité de surveiller la température des enroulements par sonde thermique