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Revue 3EI juin 2000 1 LES MOTEURS ÉLECTRIQUES POUR APPLICATIONS DE GRANDE SÉRIE

Revue 3EI juin 2000 1 LES MOTEURS ÉLECTRIQUES POUR APPLICATIONS DE GRANDE SÉRIE Bernard MULTON, Hamid BEN AHMED, Nicolas BERNARD, Pierre-Emmanuel CAVAREC Antenne de Bretagne de l’École Normale Supérieure de Cachan 1- Introduction L’objectif que nous nous sommes fixé, dans cet article, est de dresser un panorama aussi étendu que possible des convertisseurs électromécanique (moteurs ou générateurs) de grande diffusion dont les principes sont fondés sur l’électromagnétisme. Compte tenu de l’espace limité, nous n’aborderons pas leurs principes de fonctionnement. Dans beaucoup de ces machines spéciales, voire ésotériques, on est souvent très loin de pouvoir exploiter les notions de forces de Laplace et de champs tournants, aussi, nous conseillons à nos lecteurs d’utiliser la méthode des travaux virtuels [Jufer_79] pour analyser leur fonctionnement et calculer leur couple électromagnétique. 1.1- Diversité Qu’est-ce que la grande série ? On peut considérer qu’il s’agit d’une production supérieure à plusieurs dizaines de milliers de dispositifs par an. En ce qui concerne les actionneurs électriques, on peut inclure les domaines des moteurs industriels (les asynchrones triphasés à cage d’écureuil coulée en aluminium sont les seuls à être produits réellement en série) et ceux correspondant aux accessoires de petite puissance qui nous assistent au quotidien. Dans cet article, nous ne traiterons pas les machines asynchrones triphasées à cage qui sont largement traitées dans la littérature scientifique et technologique. En revanche, nous essaierons, grâce à de nombreux exemples, de montrer la grande diversité de la deuxième catégorie de moteurs précédemment évoquée. La figure 1.1 (échelles logarithmiques) montre les ordres de grandeurs du couple obtenu en fonction des dimensions caractéristiques (ici le diamètre), la puissance à 3000 tr/mn est donnée à titre indicatif. Le domaine des moteurs de grande diffusion (hors asynchrones triphasés) couvre les dimensions comprises entre le millimètre (horlogerie) et la dizaine de centimètres (électroménager, alternateurs automobiles). Si, un jour, les véhicules électriques se développent, des moteurs de plus grande puissance (quelques dizaines de kW) viendront s’y ajouter [Mult_00]. Figure 1.1 La très grande étendue, dans le domaine des puissances, des machines électromagnétiques Les moteurs, généralement discrets, sont partout. Une famille française moyenne en possède, souvent sans le savoir, plus de 100 de l’actionneur d’une montre analogique à ceux cachés au cœur des appareils électroménager, du mico-ordinateur familial ou encore de la chaîne HiFi. Ce qui caractérise le plus les moteurs de grande diffusion, c’est probablement la très grande variété de structures électromagnétiques, considérées le plus souvent comme ésotériques. Elles font, en effet, rarement l’objet d’un enseignement dans les cours d’électrotechnique quel que soit leur niveau. 1.2- Domaines d’application et marchés En Europe le marché de renouvellement des équipements électroménager et automobile est d’environ 10 à 15 millions d’unités par an selon leur durée de vie. Le tableau suivant donne, en millions d’unités, la demande annuelle européenne et mondiale de quelques appareils dans le domaine de l’électroménager (données L. Perier SGS Thomson 1993) : type Lave linge Lave vaisselle µ-ondes Aspirateurs Robot ménagers Europe 12 6 8 12 12 Monde 36 14 42 61 41 type ventilateurs Réfrig. Climatiseurs Rasoirs Outils portatifs Europe 5 14 0,1 15 12 Monde 70 49 20 50 37 On peut considérer que ces données évoluent à la hausse surtout au niveau mondial compte tenu de la croissance du taux d’équipement dans les pays en voie de développement. Les marchés européen et américain des moteurs fractionnaires sont d’environ respectivement 4 et 8 G$. Dans l’électroménager où l’alimentation se fait la plupart du temps en courant alternatif, les moteurs utilisés sont de types asynchrones, universels et synchrones (démarrage direct). La domotique, domaine qui représente les automatismes dans l’habitat, perce lentement. Somfy détiendrait 55% d’un marché annuel mondial de 2,2 M de moteurs de volets roulants. Dans le secteur des accessoires automobiles, avec plus de 40 millions d’automobiles fabriquées annuellement, la production mondiale de moteurs électriques dépasse le milliard (quasiment tous à collecteur) pour un marché d’environ 4 G$ (environ 15 millions pour l’Europe de l’Ouest). Des constructeurs comme Nippondenso ou Delphi fabriquent entre 300 et 500 000 moteurs par jour ! Le niveau d’équipement des véhicules évoluant rapidement, la production croît également en conséquence. Une automobile ordinaire exploite d’une dizaine de machines électriques (démarreur, ventilateurs thermique moteur et habitacle, essuie-glace AV et AR, lève-vitres, alternateur…) et une voiture haut de gamme en a près de 100 [Berg_94]. La tension d’alimentation de ces moteurs est actuellement de 14 V et passera progressivement à 42 V dans une dizaine d’année, ce qui nécessitera plus de lames au collecteur (pour des raisons de commutation). Horlogerie Le moteur Lavet présent dans la majorité des montres et pendules électriques à aiguilles est produit à plus de 600 millions d’exemplaires par an [Minot_98]. Informatique Il s’agit d’un marché en pleine explosion (population encore en phase d’équipement et renouvellement très rapide « grâce » à une durée de vie de 4 à 5 ans). En 1999, environ 200 M de disques durs par an et autant de lecteurs de disquettes ont été produits, c’est un marché en très forte expansion, en particulier vers les applications vidéo et photographie numérique. Le marché des lecteurs et graveurs de CDROM et autres DVD est également en très forte croissance. En 1995, 40 M de lecteurs de CDROM ont été commercialisés. Autres marchés Par manque d’informations, nous ne pourrons qu’évoquer les gros marchés suivants : appareils photos et autres caméras vidéo, appareils audio, magnétoscopes, jouets, modélisme, ventilateurs d’équipements, … Revue 3EI juin 2000 2 Les fabricants des moteurs de grande série sont soit des producteurs d’équipement qui considèrent que les moteurs font partie des composants « stratégiques ». C’est le cas de la plupart des équipementiers automobiles (DelcoRemy, NipponDenso, Bosch, Ford, TRW, Valeo, MagnetiMarelli, Lucas, pour n’en citer que quelques uns), des fabricants de produits électroménagers (Whirlpool, Moulinex, Seb…). Mais, il existe aussi des spécialistes des moteurs de grande diffusion, ils alimentent tous les marchés précédemment évoqués. Par exemple, Ametek produit 23 millions de moteurs universels pour aspirateurs entre 600 et 1400 W, Mabuchi expulse de ses chaînes plus d’un milliard et demi de moteurs par an (principalement des petits moteurs à collecteur) soit environ 50 moteurs chaque seconde ! En somme, c’est par milliards que sont annuellement fabriqués les petits moteurs électriques dans des usines de productions très automatisées et, de plus en plus, déplacées en Asie du Sud-Est ou en Amériques Centrale et du Sud. 1.3- Aspects système : l’intégration du moteur à la fonction Dans nombres d’applications, les moteurs sont intégrés à des systèmes complexes, ils doivent être conçus dans un souci d’intégration (au sens de la compacité et de la compatibilité) à la fonction générale. Leur forme, leur température de fonctionnement, leur pollution électromagnétique (etc…) doivent être déterminés ou limités en fonction d’un grand nombre de contraintes technologiques et économique. C’est le cas des exemples suivants de systèmes mécatroniques dans lesquels, on notera une forte intégration des actionneurs ou générateurs à leur environnement électronique. Disques durs magnétiques pour le stockage de l’information. C’est un domaine tout à fait remarquable dans le sens, où contrairement à beaucoup d’autres secteurs à très fortes contraintes économiques, la technologie progresse très vite pour accroître sans cesse les performances : compacité, capacité de stockage (actuellement plus de 30 Go par plateau 3,5’’), rapidité d’accès, en somme, le coût de l’octet stocké décroît vertigineusement. Dans un disque dur, il faut deux actionneurs : un pour l’entraînement du plateau de disques, le second pour le déplacement des têtes de lecture-écriture. Les têtes se trouvent à moins d’un 1/10ème de µm des plateaux ce qui donne une idée des précisions requises aussi bien en positionnement qu’en rotation. Pour des raisons d’encombrement, les moteurs d’entraînement du disque, après avoir été placés en dessous (structures très plates) sont maintenant intégrés à l’intérieur de l’empilement de disques (cylindriques à rotor extérieur), ce sont exclusivement des moteurs à aimants autopilotés par capteurs à effet Hall ou sans capteurs. La vitesse de rotation doit être très précise et la rotation très régulière avec une grande répétitivité (les paliers à billes doivent être assistés ou remplacés par des dispositifs hydrodynamiques). Figure 1.2 Disques durs : vue éclatée et phographies (en haut : Seagate, en bas IBM micro-disk) Après avoir utilisé des actionneurs pas à pas rotatifs associés à un système de conversion rotation-translation, les têtes de lecture- écriture des disques durs modernes sont entraînées directement par des actionneurs à bobine mobile semi-rotatifs pour minimiser les temps d’accès. On s’oriente vers des systèmes à aimants mobiles (même principe) pour accroître encore les accélérations. La miniaturisation des disques (aujourd’hui 1’’ de diamètre : 340 Mo pour un système de 19 grammes pour un encombrement de 43x36x5mm3, voir fig. 1.2) conduit à des recherches vers des micromécanismes réalisés en nouvelles technologies. Montres et horloges électriques et à aiguilles. Les montres à aiguilles constituent un bel exemple d’intégration mécatronique. La figure 1.3 décrit une montre autonome utilisant les mouvements du poignet pour faire tourner un générateur à très grande vitesse qui recharge un supercondensateur, l’énergie est ensuite utilisée pour le comptage du temps et pour l’alimentation du moteur uploads/Industriel/ 3ei-moteursgdeserie.pdf