Fonctionnement d'une machine synchrone

Il est à noter que le rotor comporte autant de pôles que le stator. Le nombre de pôles (2p) et la fréquence (f) du réseau d'alimentation permet de déterminer la vitesse mécanique ($N$), en bout d'arbre, du moteur par la relation 1.1.

$$N=\frac{60\times f}{p}$$ (1.1)

Comme la relation liant la vitesse angulaire mécanique $\Omega$ et la vitesse $N$ est , alors:

$$\Omega=\frac{2\pi f}{p}=\frac{\omega_s}{p}$$ (1.2)

Les machines synchrones sont réversibles, c'est à dire qu'elles peuvent fonctionner aussi bien en moteur qu'en alternateur (notamment dans les phases de freinage). Cependant, selon leur utilisation, leur construction diffère pour en optimiser le fonctionnement.

Dans ce mémoire, nous nous limitons à l'analyse des machines synchrones en fonctionnement moteur correspondant au cahier des charges fixé par les industriels partenaires de ces travaux. On trouve aujourd'hui différents types de moteurs synchrones qui sont les moteurs synchrones classiques, brushless (sans balai), DC (continu) et AC (alternatif), à aimants montés en surface (SPM) ou à aimants intérieurs (IPM) principalement.

Les moteurs synchrones dits classiques ont leurs inducteurs bobinés et leurs induits peuvent êtres alimentés par une alimentation continue ou bien sinusoïdale. Le type d'alimentation utilisé dépend de la répartition du flux magnétique dans l'entrefer. Ainsi, une alimentation par courants sinusoïdaux est préférable pour une répartition de flux sinusoïdale, de même, une alimentation par créneaux de courant est préférable pour une répartition trapézoïdale (figure 1.5).

Dans une machine à rotor cylindrique (dite ``turbomachine''), l'enroulement inducteur est distribué dans des encoches, de sorte que la tension magnétique d'entrefer présente sur le pas polaire une allure trapézoïdale.

Dans une machine à pôles saillants, la tension magnétique d'entrefer peut être considérée comme constante sur le pas polaire et la répartition spatiale de l'induction ne dépend que de la forme de l'entrefer. Si l'entrefer est constant, la répartition sera trapézoïdale et elle sera sinusoïdale si l'entrefer est variable.

Il en va de même pour les moteurs brushless. Ainsi, un moteur brushless SPM (Surface Permanent Magnet) sans pièce polaire présente donc une répartition spatiale de l'induction trapézoïdale. Ces pôles sont lisses d'où un entrefer constant et utilisent des aimants d'arc polaire de $\pi$ radians. L'alimentation de l'induit se fait en étoile par des créneaux de courants de $\frac{2\pi}{3}$ radians. Il existe une variante consistant à utiliser des aimants d'arc polaire de $\frac{2\pi}{3}$ radians et une alimentation en triangle par créneaux de courants de $\pi$ radians. Ces moteurs présentent les propriétés des moteurs à courant continu (brushless DC). Les moteurs brushless AC (SPM avec pièce polaire, IPM) sont alimentés par des références de courant ou de tension sinusoïdales et présentent des propriétés identiques aux machines classiques synchrones à flux sinusoïdal. Une description des répartitions de l'induction suivant le type de rotor est donnée sur les figures 1.5.

Figure 1.5: Répartition de l'induction selon la forme géométrique des pôles

a) Induction créée dans l'entrefer par l'inducteur d'une machine à pôles saillants à entrefer constant.	b) Induction créée dans l'entrefer par l'induction d'une machine à pôles saillants à enterfer sinusoïdal.

c) Induction créée dans l'entrefer par l'enroulement d'excitation d'une turbomachine.