La machine synchrone

Différentes appellations

Machine synchrone auto pilotée (machines pilotées en courant)

Moteur Brushless ou moteur sans balais

Servomoteur à aimants

Moteur auto synchrone

PRINCIPE

Production des champs tournants

S N Hr

Le rotor, constitué d ’aimants, produit un champ Hr

Le rotor s’accroche au champ tournant

Les bobines du stator alimentées par un système de courants triphasés équilibrés, produisent un champ statorique tournant Hs

Hs

VITESSE DU CHAMP STATORIQUE

Le stator est constitué de p bobines identiques par phase qui sont parcourues par un courant de fréquence f imposéepar le réseau d ’alimentation.

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)

La vitesse du champ tournant statorique est :

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

Hr

HsChaque pôle nord du rotor est entraîné par chaque pôle sud du stator

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

-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120

Couple T

Angle

Tmax

Fonctionnement stable instableinstable

-Tmax

PROBLEMES POSES

1er cas

• Au démarrage le champ tournant Hs est instantanément à la vitesse s (ou pulsation s).

•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

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

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

Schéma de principe (onduleur de tension)

capacitéRedresseur

Réseau

Onduleur MS

aimants

L ’onduleur de tension est contrôlé en courant

i0

capteur

commande

Contrôle de I0 réf

Schéma de principe (onduleur de courant)

InductanceRedresseur commandé

Réseau

capteur

commande

Contrôle de

commande

Capteur i0

+-

I0 réf

Onduleur MS

excitation

sommaire

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.

capteurs

Câblagepuissance

freinsonde

Câblagerésolver Câblage

codeurCM

statoriqueEnroulements

statoriques

Aimantspermanents

Sonde detempérature

Frein àdisque

resolver codeur

carcasse

sommaire

Rotor à aimants permanents

N

N

N

SS

S

Les aimants sont disposés en tuiles.Ils peuvent être collés, vissés ou enserrés dans une frette amagnétique

Cette solution est adoptée pour des géométries longues mais étroites . On favorise les vitesses élevées.

rotor

Machine 6 pôles

Rotor à aimants permanents

Pour mieux connaître ces matériaux ; se reporter au chapitre « aimants permanents »

N NS

S

rotor

Pièces polaires (concentration du flux)

aimants

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

Machine 6 pôles

photo

Rotor à aimants permanents

aimants

Pièces polaires

Stator

Carcasse

Circuit magnétique feuilletéetôle à « grains orientés »

à 3,5% de siliciumpertes fer 1,4 W/kg sous 1,8T

Pertes Pf dans le fer

222

fBme

VPf

V : volume de tôlese : épaisseur des tôles : résistivité des tôlesBm : induction maximumf : fréquence

Stator

Bobinagephase 1

Bobinagephase 2

Bobinagephase 3

Machine 6 pôles

StatorConstitution des pôles avec les enroulements

2 types de bobinages

Par sections

E S

Toutes les sections sont identiques

Par bobines

E S

Toutes les sections sont différentes

Chaque faisceau est logé dans une encoche

Par pôlesconséquents

Par pôles

Stator

2 câblages possibles pour produire les pôles

Schéma des enroulements en bobines par pôle

E1 S1E2 E3 S2S2

Zone active

chignon

chignon

N NS S

Stator

E1 S1E2S2 E3S3

Zone active

chignon

chignon

Schéma des enroulements en bobines par pôle conséquents

N NS S

Stator

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.

Pour produire les pôles avec des sections on procède de la même façon que précédemment.

Le frein mécanique

Disqueacier

Aimantpermanent

Entrefer 0,3 mmbobine

ressort

moyeu Surface defriction

L ’aimant produit un champ magnétique qui attire le disque acier contre la surface de friction. blocage du moteur

La bobine est alimentée en courant continu. Elle produit un champ inverse à l’aimant. Le disque acier est libéré

Le frein est du type « à manque de courant »

Le frein mécanique

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.

Sa vocation n ’est pas d ’effectuer des freinages dynamiques mais d ’assurer un blocage du rotor.On l ’appelle « frein de parking ».

Le frein mécaniqueCaractéristique du couple de freinage Cf

24V28V16V0 Tension

d ’alimentation du frein

Cf

Contrainte thermique

Attentio

n

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

DANGER

Contrainte thermiqueC ’est la classe des isolants qui détermine la température maximale admissible sur les enroulements d ’un moteur

Nécessité de surveiller la température des enroulements par sonde thermique

Classe Y A E B F H Céchauffement maximal(°C)

45 60 75 80 100 125 ...

température maximaled'emploi (°C)

90 105 120 130 155 180 > 180

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