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Le réchauffement climatique causé par les émissions de gaz à effet de serre conduit à des modifications sociétales profondes. Face à ces enjeux climatiques, on constate une massification des équipements électriques en vue de décarboner certains usages. Aussi, les machines électriques font l’objet, depuis une vingtaine d’années, d’un renforcement normatif pour accroître leur rendement. Parallèlement, la recherche de performance s’est greffée à cadre législatif, spécialement pour les applications de mobilité, qu’elles concernent des équipements légers comme les trottinettes ou les plus lourds comme les avions. La performance englobe ainsi la fiabilité, la puissance massique, le couple volumique ou encore la capacité à se reconfigurer en cas de défaut.

La problématique globale du dimensionnement des machines électriques dédiée à la mobilité électrique consiste à tirer le maximum de puissance dans un volume contraint et une masse limitée, tout garantissant un rendement optimal sur une plage couple / vitesse répondant à des cycles normalisés. Le designer peut agir sur 3 leviers : le niveau d’induction dans l’entrefer, la vitesse de rotation et la densité de courant dans les bobinages.

• L’accroissement des vitesses de rotation est évident ; les moteurs électriques, par exemple pour l’automobile, franchissent actuellement les 20 000 tr/mn. Le type d’application et la volonté d’utiliser – ou pas – un réducteur de vitesse bornent généralement les vitesses maximales, en sus des vitesses maximales admissibles par les pièces en rotation ;
• La densité de courant circulant dans les bobinages est tributaire de la capacité de refroidissement avec des systèmes de projection d’huile, de circulation d’eau glycolée dans des serpentins léchant les bobines ou dans une chaussette enveloppant la carcasse. Elle est également liée à l’isolation électrique qui, pour les matériaux organiques conventionnels, impose un plafond thermique autour de 240°C.
• On cherche évidemment à maximiser l’induction dans l’entrefer. L’évolution historique des designs des moteurs industriels illustre bien le dilemme induction / pertes. Au début du siècle dernier, les inductions d’entrefer étaient de l’ordre de 0,5 à 0,6T. Début des années 2000, les progrès des matériaux magnétiques et la recherche de puissance conduisent les designers à travailler un peu au-dessus du coude de saturation, pour atteindre dans l’entrefer des inductions de l’ordre du tesla. Mais les nouvelles normes sur les rendements ont conduit à désaturer les circuits magnétiques pour réduire les pertes, ce qui a eu pour conséquence de devoir augmenter les volumes de circuits magnétiques.

Utiliser des aciers électriques à faible perte et haut niveau d’induction poussent les concepteurs de machines à utiliser des matériaux parfois rares et chers comme le Fer-Cobalt ou des acier électriques dont la fonction première n’est pas d’équiper des machines à champs tournants. C’est le cas des aciers à Grains Orientés. Très anisotropes, ils ne sont pas adaptés – a priori – aux machines tournantes, à moins d’exploiter leurs propriétés en adaptant la géométrie du circuit magnétique à la tôle. Cela conduit à entrevoir des topologies de machines différentes utilisant, par exemple, des circuits magnétiques segmentés combinant des culasses en acier à grains non orientés et des acier GO.

Parallèlement à cette orientation vers des matériaux très performants, on constate une tendance nette à développer des machines à flux axial. Pourtant plus complexe à réaliser, elles offrent l’avantage de la compacité et des possibilités de créer des topologies assez originales. La littérature devient riche en machines autrefois qualifiées d’exotiques.

Ce projet concerne donc la conception et le prototypage d’une machine synchro-reluctante à flux axial et à tôles à grains orientés. Si le rotor peut être extrêmement simple et dépourvu d’aimants, le stator est beaucoup plus original. Une première opération financée sur contrat a permis de dimensionner un premier prototype à flux radial. Les résultats obtenus sur premier prototype sont très prometteurs mais le basculement vers un topologie à flux axial permettrait d’optimiser encore davantage la machine. Le projet ambitionne de concevoir et réaliser un prototype à haut rendement fonctionnant à 20000 tr/min et de tirer un maximum de puissance d’un volume qui sera contraint par le circuit magnétique. Il s’agira de parfaire la conception du point de vue mécanique et thermique et de choisir le convertisseur d’électronique de puissance adapté au fonctionnement nominal.

La structure précise du stator ne peut être détaillée car elle pourra faire l’objet d’une déclaration d’invention.