Une histoire d’aimants pour les futures générations de véhicules électriques

Thèse de Flavia Domingues de Souza : « Étude et modélisation d’une Machine à Mémoire de Flux Variable à base des aimants Fe-Cr-Co pour son alimentation et sa commande sans capteur mécanique à haute vitesse.   » 

Les Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAPs) sont une technologie de référence pour la propulsion des véhicules électriques. Toutefois, leur déploiement à très grande échelle est subordonné à des contraintes relatives aux aimants :
   

• la capacité d'approvisionnement en ressources (notamment les terres rares) , car 40 % des matières premières nécessaires à leur production est située en Chine ;
    
• mais aussi les défis environnementaux liés à l’extraction minière, au recyclage et au raffinage.
    

En outre, les MSAPs nécessitent souvent des stratégies de défluxage¹ pour fonctionner à hautes vitesses, ce qui peut entraîner des pertes énergétiques, et donc des baisses de rendement du système global. 

Les Machines à Mémoire de Flux Variable (MMFVs) constituent une technologie alternative qui exploite des aimants dits « à faible champ coercitif », à base d’alliage Fe-Cr-Co. Encore peu exploité pour ces applications, cet alliage est avantageux de par sa faible teneur en cobalt (matériau critique) et sa bonne résistance mécanique. De plus, le contrôle des MMFVs présente un degré de liberté supplémentaire car leur flux magnétique peut être régulé par de très courtes impulsions de courant de magnétisation. 

Les travaux de cette thèse ont visé à caractériser et comprendre le comportement du Fe-Cr-Co dans les conditions opératoires envisagées. Pour ce faire, la configuration étudiée a été celle d'une MSAP, où le rotor à aimant permanent a été remplacé par un cylindre massif de cet alliage, géométrie simple et adaptée aux applications hautes vitesses. L’étude expérimentale s’est déroulée en deux étapes :
 

1. la magnétisation à l'arrêt, par l'injection de courants dans le bobinage statorique à vitesse nulle, qui vise à caractériser l’aimant inséré dans l’environnement machine ;
      
2. la magnétisation en dynamique (moteur tournant), dans laquelle l’état de magnétisation est ajusté en cours de pilotage du moteur électrique, et qui sert au contrôle de son couple électromagnétique.
    

La première étape s’est appuyée sur les équations qui décrivent les points de fonctionnement dans la courbe d’hystérésis et relient l’intensité du champ magnétique H à la densité de flux magnétique B [1]. Deux méthodologies ont été proposées et déployées pour décrire le profil d'aimantation du Fe-Cr-Co à l’arrêt, selon qu’on se situe dans sa direction d’aimantation facile ou difficile. Les caractéristiques magnétiques du cylindre ont été déduites à la fois des tests à l’arrêt et de simulations par éléments finis et les résultats ont été comparés aux références fournies par un équipement de mesure idéal (HysteresisGraph), qui caractérise l’aimant hors environnement machine. La figure 1 présente les différences constatées, discutées dans [2], dont les études réalisées par simulation numérique ont permis de conclure qu’elles sont liées à la géométrie et à la saturation du matériau constituant le stator.

   
La seconde étape, sur la magnétisation et le contrôle en dynamique du couple électromagnétique du moteur, a permis de développer un algorithme de commande sans capteur de position au rotor, adapté de travaux antérieurs [3]. Ce système estime la position et la vitesse du rotor à l'aide des tensions de sortie mesurées, en tenant compte de la compensation des retards de phase. Ceux-ci étant fortement influencés par les inductances des axes direct et en quadrature (axes dq)². Une méthodologie utilisant des simulations FEA a été proposée pour les estimer, en tenant compte des effets d'anisotropie de l'aimant et de la saturation du fer au niveau du stator. 

Un résultat important de ce travail a trait aux états de magnétisation partielle de l’aimant, lesquels émanaient des essais de magnétisation à l’arrêt, et ont ensuite permis de prédire les points de fonctionnement attendus en dynamique. Le modèle magnétique de l’aimant issu des essais a servi également de base pour l’analyse des inductances de la machine, informations nécessaires pour optimiser le contrôle du système visant à maximiser le couple généré par la machine. 

Une autre conclusion apportée concerne la démonstration de l’influence de la géométrie de la machine électrique (design des encoches, longueur de l’aimant, etc.) sur l’état de magnétisation attendu par un aimant inséré dans une MMFV.

Ces travaux ouvrent ainsi la voie à d’autres études scientifiques visant à améliorer la conception géométrique d’un stator adapté et optimisé pour les propriétés des aimants Fe-Cr-Co.  
  

^1- Le défluxage d'une machine tournante consiste à diminuer le flux inducteur pour augmenter sa vitesse au-delà de sa valeur nominale sans augmenter la tension d'alimentation
^2- Axes associés au changement du repère réel triphasé de la machine par un repère tournant fixé au rotor, afin de rapprocher le modèle d’une machine AC à celui d’une machine DC, ce qui permet de contrôler indépendamment le flux et le couple dans la machine (commande vectorielle).
 

Références bibliographiques

1. F. D. de Sousa, A. Battiston, S. Pierfederici and F. Meibody-Tabar, Validation of the standstill magnetization strategy of a FeCrCo-based Variable Flux Memory Machine, 2021 24th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Gyeongju, Korea, Republic of, 2021, pp. 536-541.
   >> doi: 10.23919/ICEMS52562.2021.9634323
    

2. F. D. de Sousa, A. Battiston, F. Meibody-Tabar and S. Pierfederici, Evaluation of the Magnetic Behavior of a Single Pole Pair Fe-Cr-Co-based Memory Motor Considering a Standstill Magnetization, in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 58, no. 8, pp. 1-7, Aug. 2022, Art no. 8202607.
   >> doi: 10.1109/TMAG.2022.3141895
     

3. N. Haje Obeid and A. Battiston, Model based angle compensation method for sensorless control of a wide range high speed PMSM, IECON 2019 - 45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Lisbon, Portugal, 2019, pp. 2701-2706.
   >> doi: 10.1109/IECON.2019.8926751
    

Contact scientifique : alexandre.battiston@ifpen.fr

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