machines synchrones : le match aimant/bobiné!!!

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A.YASSINE
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machines synchrones : le match aimant/bobiné!!!

Message par A.YASSINE » mer. 02 07 , 2008 13:24

Bonjour,
je souhaite faire une recherche sur les différences entre MS à aimant permanent et inducteur bobiné.
Quels sont, selon vous, les avantages et les inconvénients de l'une par rapport à l'autre?
Est-ce que l'état de l'art et son évolution laisse deviner un retournement de tendance?
La question qui a provoqué ma recherche, c'est que Toyota et Lexus utilisent des MS à aimant alors que l'inducteur bobiné est bien meilleur marché et est d'ailleurs utilisé par d'autres constructeurs comme Renault. Au delà de l'aspect "coût", je pense donc que qqch m'a échappé sur le plan techno d'où l'ouverture de ce fil.
Yass

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Rémy
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Message par Rémy » mer. 02 07 , 2008 14:26

A.YASSINE a écrit :l'inducteur bobiné est bien meilleur marché
Mais l'aimant permanent a un meilleur rendement (le courant utilisé par l'inducteur bobiné est "perdu").

Par contre l'inducteur bobiné présente aussi l'avantage d'offrir une commande supplémentaire : l'intensité de l'inducteur qui produit le flux magnétique, alors que ce dernier est constant pour un aimant permanent.

A.YASSINE
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Message par A.YASSINE » mer. 02 07 , 2008 22:21

Bonsoir,

je suis tout à fait d'accord mais l'induction d'un aimant est de l'ordre de 0,8 à 1,2T pour les plus performants alors qu'un inducteur bobiné peut produire une induction de l'ordre de 2T avec un matériaux plus ou moins "classique" (ne serait-ce qu'avec un acier Fer-Silicum de 50mm d'épaisseur).

Par ailleurs, le coût d'un aimant semble annuler l'avantage de son caractère "source de champs" tandis que celui de l'inducteur bobiné compense largement les pertes.

Ensuite, comme tu le dis, le réglage du flux rotorique offre un degré de liberté supplémentaire dans la commande.

Par contre, je suis d'accord pour dire que les balais de l'inducteur bobiné peut poser la question de l'entretien du rotor.

Dernière chose, au niveau sécurité, on ne peut "couper" simplement le flux rotor avec des aimants alors que c'est très simple sur un inducteur bobiné. Du coup durant les phases de freinage, le flux rotor de l'aimant permanent maintient une fem éventuellement gênante.

Donc pour moi, l'inducteur bobiné présente de nombreux avantages sur l'aimant et je n'arrive toujours pas à comprendre les secrets qui poussent des constructeurs comme Toyota ou Nissan d'opter pour la machine à aimant permanent.
Yass

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Message par Rémy » jeu. 03 07 , 2008 6:53

A.YASSINE a écrit :Par ailleurs, le coût d'un aimant semble annuler l'avantage de son caractère "source de champs" tandis que celui de l'inducteur bobiné compense largement les pertes.
Dans le cas du VE, la consommation du rotor se traduit par une baisse d'autonomie ou la nécessité d'une capacité de batteries plus importante.
Le coût de l'énergie "embarquée" est tel que le surcoût de l'aimant peut être compensé.
A.YASSINE a écrit :Dernière chose, au niveau sécurité, on ne peut "couper" simplement le flux rotor avec des aimants alors que c'est très simple sur un inducteur bobiné. Du coup durant les phases de freinage, le flux rotor de l'aimant permanent maintient une fem éventuellement gênante.
En général, on s'en sert pour récupérer l'énergie du freinage.
Dans le cas du rotor bobiné, on l'alimente durant la phase de freinage.
A.YASSINE a écrit :Donc pour moi, l'inducteur bobiné présente de nombreux avantages sur l'aimant et je n'arrive toujours pas à comprendre les secrets qui poussent des constructeurs comme Toyota ou Nissan d'opter pour la machine à aimant permanent.
En fait chacun a ses avantages.
Je pense que dans le cadre d'un VE, ceux de l'aimant (économie d'énergie et fiabilité) peuvent compenser ceux du rotor bobiné (prix et facilité de commande).

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Message par Gars_Du_Sud » jeu. 03 07 , 2008 7:14

A.YASSINE a écrit : Donc pour moi, l'inducteur bobiné présente de nombreux avantages sur l'aimant et je n'arrive toujours pas à comprendre les secrets qui poussent des constructeurs comme Toyota ou Nissan d'opter pour la machine à aimant permanent.
Parce que:
Rotor bobiné = Bobinage + laminations + augmentation de la taille/masse+ pertes cuivres + pertes fer+Balais+difficultés à équilibrer
.
Rotor à aimants permanents : beaucoup plus simple à fabriquer quand on sait coller/fixer les aimants

Mise au point et développement:

Les calculs par éléments finis avec des rotors bobinés sont un réel cauchemar et l'optimisation d'un moteur pour obtenir un rendement >90% est un sacré challenge, ils sont plus simples et accessibles avec des aimants permanents
Avec des aimants permanents il y a aussi beaucoup plus de topologies de moteurs disponibles.

Des aimants NdFeB qui permettent >=1.2T et ne se démagnétisent qu'au dessus de 150°C ne coutent que 25$/Kg après enrobage. et avec 1 kg d'aimant on peut espérer "tirer" à peu près 4000 N, ce qui donne si je ne me trompe un couple > à 250 m.N avec un rotor de 20cm de diamètre

L'induction, à entrefer égal, est directement liée au couple du moteur
Le faiblesse (toute relative) de cette valeur pour les aimants permanents, conduit simplement à multiplier les aimants.

Si je devais développer un moteur DC/AC, je n'hésiterais pas et opterais pour un PMDC/PMAC ->Edité suite à remarque judicieuse

@lain
Modifié en dernier par Gars_Du_Sud le jeu. 03 07 , 2008 9:33, modifié 1 fois.

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Message par Rémy » jeu. 03 07 , 2008 7:38

Gars_Du_Sud a écrit :Si je devais développer un moteur DC, je n'hésiterais pas et opterais pour un PMDC
En l'occurence (Toyota et Nissan), ce sont des moteurs à courant alternatif.

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Message par Gars_Du_Sud » jeu. 03 07 , 2008 9:16

C'est vrai que PMDC est tiré par les cheveux, car pour tourner, il y a toujours un champ alternatif quelque part
et la difference entre PMDC et PMAC est ténue
Difference entre PMDC et PMAC

A.YASSINE
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Message par A.YASSINE » jeu. 03 07 , 2008 21:05

Bonsoir,
Rotor bobiné = Bobinage + laminations + augmentation de la taille/masse+ pertes cuivres + pertes fer+Balais+difficultés à équilibrer.

Rotor à aimants permanents : beaucoup plus simple à fabriquer quand on sait coller/fixer les aimants
Lorsque tu dis "laminations", je suppose que tu parles des tôles. Or les pertes sur les tôles dans une machine synchrone ont principalement lieu au stator et sont négligeables au rotor car le courant est continu au rotor (donc pas d'hysteresis) et le champ stator tournant est fixe par rapport au rotor (donc pas de pertes par courants de Foucault). Par contre, je pense que les courants harmoniques peuvent être à l'origine de pertes fer mais celles-ci restent négligeables. Pour cette raison, je ne crois pas que les "laminations" soient un argument décisif dans le "match" aimant/bobiné.

Tu dis aussi "augmentation de la taille/masse", tu veux dire la puissance massique? Quel est le raisonnement?

Au sujet des balais, il ne faut pas confondre avec ceux d'une machine à courant continu qui eux appellent à une certaine maintenance à cause de la nature de la machine. Le contact bobine/alimentation dans une machine synchrone n'est jamais rompu.

Enfin, peux-tu me dire ce que tu entends par "difficultés à équilibrer"?

En ce qui concerne ta description de la MAP (machine à aimant permanent), je pense que tu vas un peu vite d'autant que c'est justement la fixation des aimants qui pose problème et limite fortement la vitesse max (pour info, j'ai eu une ms bobiné tournant à 14000 tr/min, score un peu difficile pour une MAP).
Les calculs par éléments finis avec des rotors bobinés sont un réel cauchemar et l'optimisation d'un moteur pour obtenir un rendement >90% est un sacré challenge, ils sont plus simples et accessibles avec des aimants permanents.
Je confirme ce que tu dis au sujet des éléments finis (par expérience...) mais je ne vois pas pourquoi il en serait autrement avec une MAP (ne serait-ce que parce que sur ce plan, il y a équivalence ampérienne aimant/courant et que la droite de charge d'un aimant reste tout aussi compliquée à aborder).
Quant aux 90% qui seraient infranchissable, je ne suis pas du tout d'accord. On peut très bien faire du 95% dans la joie et la bonne humeur (pas en basse vitesse, bien sûr).
Avec des aimants permanents il y a aussi beaucoup plus de topologies de moteurs disponibles.
Peux-tu me donner des détails stp?
Des aimants NdFeB qui permettent >=1.2T et ne se démagnétisent qu'au dessus de 150°C ne coutent que 25$/Kg après enrobage. et avec 1 kg d'aimant on peut espérer "tirer" à peu près 4000 N, ce qui donne si je ne me trompe un couple > à 250 m.N avec un rotor de 20cm de diamètre.
Je ne connais aucun aimant donnant 2T et dépasser 1.2T avec des aimants, j'avoue que j'en ai pas vu (je dis pas que ça existe pas, je dis que les ordres de grandeurs c'est 1,2 peut-être 1,4T mais pas plus). Quant aux 25$/kg, waow!!! Quand j'étais jeune, j'avais fait une petite manip à l'école à l'aide d'aimants à 1T de 1cm de rayon, le prof nous avait dit que ça faisait plus de 30€/pièce.
Pour info, avec un inducteur bobiné, 200mm de diamètre, 1mm d'entrefer et 180mm de haut donne autour de 250Nm à 1500tr/min.

L'induction, à entrefer égal, est directement liée au couple du moteur
Euh, moi j'aurais plutôt dit que le couple du moteur est lié à l'induction, causalité oblige...
Le faiblesse (toute relative) de cette valeur pour les aimants permanents, conduit simplement à multiplier les aimants.
...et donc on perd en puissance massique...et donc cela diminue la pertinence de la MAP.

(Bon pour la petite parenthèse, en multipliant les aimants on multiplie le flux et non l'induction qui, elle, ne devrait pas beaucoup varier).
Modifié en dernier par A.YASSINE le sam. 05 07 , 2008 10:08, modifié 1 fois.
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Message par A.YASSINE » jeu. 03 07 , 2008 21:15

Rémy a écrit :
A.YASSINE a écrit :Par ailleurs, le coût d'un aimant semble annuler l'avantage de son caractère "source de champs" tandis que celui de l'inducteur bobiné compense largement les pertes.
Dans le cas du VE, la consommation du rotor se traduit par une baisse d'autonomie ou la nécessité d'une capacité de batteries plus importante.
Le coût de l'énergie "embarquée" est tel que le surcoût de l'aimant peut être compensé.
Je te crois sur parole car le prix des batteries est hallucinant.
A.YASSINE a écrit :Dernière chose, au niveau sécurité, on ne peut "couper" simplement le flux rotor avec des aimants alors que c'est très simple sur un inducteur bobiné. Du coup durant les phases de freinage, le flux rotor de l'aimant permanent maintient une fem éventuellement gênante.
En général, on s'en sert pour récupérer l'énergie du freinage.
Dans le cas du rotor bobiné, on l'alimente durant la phase de freinage.
Peux-tu donner des détails s'il te plaît? je suppose que tu parles que tu parle d'une machine reversible mais je voudrais que tu précises.
Cela dit, je parle d'une procédure d'urgence par exemple un freinage pour éviter un accident ou tout autre besoin d'immobiliser le VE immédiatement. Qu'est-ce qu'on fait du flux rotor dont on ne peut se débarasser et qui maintient sa fem?
Dans une pente trop longue ou un freinage récuperatif, si la batterie est déjà chargée, le maintient d'une fem risque de mettre la batterie en surtension, non?

A.YASSINE a écrit :Donc pour moi, l'inducteur bobiné présente de nombreux avantages sur l'aimant et je n'arrive toujours pas à comprendre les secrets qui poussent des constructeurs comme Toyota ou Nissan d'opter pour la machine à aimant permanent.
En fait chacun a ses avantages.
Je pense que dans le cadre d'un VE, ceux de l'aimant (économie d'énergie et fiabilité) peuvent compenser ceux du rotor bobiné (prix et facilité de commande).
Peux-tu préciser ce que tu dis sur fiabilité?
Modifié en dernier par A.YASSINE le ven. 04 07 , 2008 9:01, modifié 1 fois.
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Message par Rémy » ven. 04 07 , 2008 5:44

A.YASSINE a écrit :Peux-tu préciser ce que tu dis sur fiabilité?
Un bobinage et des contacts glissants en moins = autant de possibilités de pannes évitées.

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Message par Gars_Du_Sud » ven. 04 07 , 2008 8:29

Discussion intéressante
A.YASSINE a écrit : Tu dis aussi "augmentation de la taille/masse", tu veux dire la puissance massique? Quel est le raisonnement?
A Stator identique , on est en train de comparer un disposirif avec dans son rotor,des aimants permanents et un autre dispositif qui a des electro-aimants dans son rotor.
Pour installer les champs nécessaires à notre machine tournante, il faut des ampères tours
Dans le cas des électro-aimants, pour rivaliser avec des terres rares comme le NdFeB il faut pas mal d'ampères.tours
donc pas mal de cuivre donc un peu de pertes cuivre quand même et pour ne pas perdre ce % de rendement que tout le monde cherche, il faut augmenter les sections de cuivre donc augmenter le volume.
En plus il faut acheminer ces ampères vers le rotor donc des balais qui seront toujours des pièces d'usure même si c'est moins sollicité qu'avec un collecteur de moteur à courant continu.
Pour réaliser la mème fonction, il faut donc plus d'éléments et plus d'opérations en fabrication.
Ceci n'était pas vrai dans les années 80, ou le BHMax des aimants permanents avait du mal à franchir les 5 MGOe
A.YASSINE a écrit : Enfin, peux-tu me dire ce que tu entends par "difficultés à équilibrer
Les machines tournantes pour être silencieuses doivent souvent être équilibrées mécaniquement et electromagnetiquement.
La stabilité de la magnétisation des aimants permanents (saturation pendant la magnétisation) permet de s'affranchir plus facilement des déséquilibres de flux mais je concède que cet ajustement n'est pas complexe dans le cas de machines à stator bobinés
Equilibrage mécanique :
Sur un rotor à aimants permanent style rotor disque, il y a plus de facilité à faire des équilibrages mono plans alors que dans l'autre cas on ne peut échapper à des équilibrages sur 2 plans.
A.YASSINE a écrit : En ce qui concerne ta description de la MAP (machine à aimant permanent), je pense que tu vas un peu vite d'autant que c'est justement la fixation des aimants qui pose problème et limite fortement la vitesse max (pour info, j'ai eu une ms bobiné tournant à 14000 tr/min, score un peu difficile pour une MAP).

...

Quant aux 25$/kg, waow!!! Quand j'étais jeune, j'avais fait une petite manip à l'école à l'aide d'aimants à 1T de 1cm de rayon, le prof nous avait dit que ça faisait plus de 30€/pièce.
La fixation ne pose plus de problème, de nos jours on colle des choses beaucoup plus complexes,
je conçois des MAP depuis longtemps et il y en a plusieurs millions qui équipent des dispositifs médicaux sur la planète.
Sur le moteur le plus utilisé (150W) , celui-ci tourne allègrement à 30 000 t/mn au nominal, et à 150 000 t/mn les roulements standard se détériorent , le MTBF est de 15000 heures
L'aimant toroïdal qui sert de rotor coute 1.3 $ en quantités industrielles et le matériau utilisé est du grade 50 (1.25T mesuré)

Avec des aimants permanents il y a aussi beaucoup plus de topologies de moteurs disponibles.
Peux-tu me donner des détails stp?
Le process de fabrication des aimants permanents permet beaucoup plus de délires concernant les formes des pièces.

Aimants toroïdaux -> pas simple à faire avec un électro-aimant
Moteurs à flux axiaux -> pas simple à faire avec un électro-aimant
Moteurs à N stators, N-1 rotors
Moteurs à nombre élevé de pôles -> complexité/cout de la connectique
etc...
Quant aux 90% qui seraient infranchissable, je ne suis pas du tout d'accord. On peut très bien faire du 95% dans la joie et la bonne humeur (pas en basse vitesse, bien sûr).
Je n'ai pas dit qu'ils étaient infranchissables, c'est juste plus difficile.
On parle de dispositifs industriels développés par des ingés qui ont à leur disposition des outils.
Le choix des topologies disponibles est souvent lié à ce qu'ils savent/peuvent faire
Or dans les calculs par éléments finis , les conditions aux limites sont la partie la plus délicate à régler
Je pense que c'est juste un peu plus complexe à définir avec des electro-aimants mais je peux me tromper.
et donc on perd en puissance massique...et donc cela diminue la pertinence de la MAP
La je ne suis pas d'accord, augmenter infiniment l'induction trouvera ses limites dans la saturation du stator quand la machine tournera.
En théorie, on peut faire des Megawatts avec 0.5T dans les l'entrefers, il faut augmenter les diamètres pour conserver le couple.
L'induction, à entrefer égal, est directement liée au couple du moteur
Euh, moi j'aurais plutôt dit que le couple du moteur est lié à l'induction, causalité oblige...
...
(Bon pour la petite parenthèse, en multipliant les aimants on multiplie le flux et non l'induction qui, lui, ne devrait pas beaucoup varier)
Je le concède, suis allé un peu vite dans ma rédaction.

mutantape
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Message par mutantape » lun. 07 07 , 2008 12:44

Interessant, ce fil, avec des gens qui sont de la partie...

J'ai une question : est-ce que l'application du moteur synchrone bobiné à l'automobile n'accelere pas la degradation des contacts glissant, dans la mesure ou les vibrations de la route pourraient faire decoller les contacts de temps à autre, d'où etincelles ? Ou alors il faut plusieurs contacts en parallèle sous des angles differents, de maniere à etre sur qu'au moins certains d'entre eux restent collés à un moment donné.

Par contre dans le cas ou le moteur synchrone à aimants permanents se repandrait dans nos vehicules, ne risque-t-on pas une penurie de matériaux rares ? Avec les rotors bobinés, il y a du cuivre, il est vrai, dont les cours ont tendance à s'envoler, mais en cas de réél probleme, j'imagine qu'il ne serait pas interdit de passer à l'aluminimum (necéssité fait loi).

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Message par A.YASSINE » ven. 11 07 , 2008 15:29

Salut,
tout d'abord, je voulais te remercier pour cette discussion de qualité. Elle m'a beaucoup servi pour rédiger une petite synthèse sur le sujet.
Je voulais ajouter que pour un moteur axial, je pense quand même qu'il y a une hauteur de rotor critique à partir de laquelle l'inducteur bobiné est plus intéressant que l'aimant (et probablement aussi une puissance critique). Par exemple, pour prendre un cas extrême, on a jamais vu un alternateur EDF fonctionner avec des aimants.

Je voulais aussi revenir sur ça :
Gars_Du_Sud a écrit : Le process de fabrication des aimants permanents permet beaucoup plus de délires concernant les formes des pièces.

Aimants toroïdaux -> pas simple à faire avec un électro-aimant
Moteurs à flux axiaux -> pas simple à faire avec un électro-aimant
Moteurs à N stators, N-1 rotors
Moteurs à nombre élevé de pôles -> complexité/cout de la connectique
etc...
Perso, je pense justement que le process de fabrication (le frittage) créé des pièces de longueur limitée et que c'est probablement le principal problème pour les longs rotor. Quand on fera des aimants de un mètre de long, l'inducteur bobiné sera vraiment menacé.
Yass

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Message par A.YASSINE » ven. 11 07 , 2008 15:38

mutantape a écrit :Interessant, ce fil, avec des gens qui sont de la partie...

J'ai une question : est-ce que l'application du moteur synchrone bobiné à l'automobile n'accelere pas la degradation des contacts glissant, dans la mesure ou les vibrations de la route pourraient faire decoller les contacts de temps à autre, d'où etincelles ? Ou alors il faut plusieurs contacts en parallèle sous des angles differents, de maniere à etre sur qu'au moins certains d'entre eux restent collés à un moment donné.

Par contre dans le cas ou le moteur synchrone à aimants permanents se repandrait dans nos vehicules, ne risque-t-on pas une penurie de matériaux rares ? Avec les rotors bobinés, il y a du cuivre, il est vrai, dont les cours ont tendance à s'envoler, mais en cas de réél probleme, j'imagine qu'il ne serait pas interdit de passer à l'aluminimum (necéssité fait loi).
De l'alu pour faire de l'embarqué c'est hors de question!!!
Le cuivre a beau être plus cher, chaque Watt dissipé a une répercussion sur le coût de la batterie.
Pour les contacts de l'inducteur bobiné, il y en a deux (les bobines rotor sont en série, donc un "plus" et un "moins") et, à ma connaissance, ils ne sont pas perturbés par les vibrations de la caisse.
Quant aux aimants, ce sont les Samarium-Cobalt qui sont cher à cause de la rareté du Cobalt.
Par contre, il semble que les NéodymeFerBore sont onéreux pour des raisons de brevet mais que ceux-ci tombent doucement.
Yass

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Message par mutantape » mer. 27 08 , 2008 12:39

Je ne suis pas certain que l'utilisation de l'aluminium implique une perte de puissance. La plus grande resistivité peut etre compensée par une section plus grande des conducteurs.

Bien sur, cela implique une quantité de métal plus importante, mais comme l'aluminium est significativement plus léger, il n'est pas certain qu'au total le moteur soit plus lourd. Il y a donc une chance que l'utilisation de l'aluminium ne soit pas pénalisante au niveau des performances.

De toutes façons, si le cuivre se rarefie suffisament, la perte de performances passera au second plan : mieux vaut rouler un peu moins vite ou loin que de ne plus pouvoir rouler du tout. Et l'economie faite sur le cuivre pourra etre investie dans un pack de batterie un peu plus conséquent.

Autre possibilité : quand le cuivre deviendra plus cher que l'argent, bobiner les moteurs en argent :-)

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