Le document décrit le fonctionnement des machines synchrones, notamment en ce qui concerne la production de champs tournants et l'interaction entre le rotor et le stator. Il aborde également les problèmes liés au couple électromagnétique et propose des solutions pour contrôler ce couple, telles que l'utilisation de capteurs de position et de convertisseurs. Enfin, le document traite des différentes technologies et matériaux utilisés dans la construction des moteurs synchrones, y compris les dispositifs de freinage et la gestion thermique.

1. La machine synchrone

2. Différentes appellations
Machine synchrone auto pilotée
(machines pilotées en courant)
Moteur Brushless ou moteur sans balais
Servomoteur à aimants
Moteur auto synchrone

3. PRINCIPE

4. Production des champs tournants
S N Hr
Le rotor, constitué
d ’aimants, produit
un champ Hr
Le rotor s’accroche au champ tournant
Les bobines du
stator alimentées
par un système de
courants triphasés
équilibrés,
produisent un
champ statorique
tournant Hs
Hs

5. VITESSE DU CHAMP STATORIQUE
Le stator est constitué de p bobines identiques par phase
qui sont parcourues par un courant de fréquence f imposée
par le réseau d ’alimentation.
ns = f / p = s / 2 x  x p (tr/s)
La vitesse angulaire a donc pour expression :
s = ns / 2 x  = s / p (rd/s)
La vitesse du champ tournant statorique est :

6. Vitesse du champ tournant rotorique
L ’interaction des champs est à l’origine du couple moteur.
Ce couple électromagnétique (Tem) a pour expression :
Tem = K x Hr x Hs x sin 

Hr
Hs
Chaque pôle nord du rotor
est entraîné par chaque pôle
sud du stator
L’angle  est lié au couple résistant.
Si sin  = Cte non nulle alors le rotor
tourne en synchronisme r = s

7. COUPLE EN FONCTION DE L ’ANGLE 
-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120
Couple T
Angle 
Tmax
Fonctionnement stable instable
instable
-Tmax

8. PROBLEMES POSES
1er cas
• Au démarrage le champ tournant Hs est instantanément à
la vitesse s (ou pulsation s).
•Le rotor a une inertie qui l ’empêche de suivre la vitesse
du champ tournant de façon instantanée.
• varie de 0 à 360°. La valeur moyenne de sin  = 0.
Il n’y pas de couple moteur
2ème cas
Sous l’effet du couple résistant, un décalage angulaire
intervient dans l’alignement des pôles du rotor par rapport
à ceux du stator.
• peut varier au-delà de son couple maximum.
•Le moteur présente le risque de décrocher donc de
s’arrêter.

9. SOLUTION AUX PROBLEMES POSES
Pour contrôler le couple électromagnétique il est
nécessaire de maîtriser la valeur de l ’angle .
La fréquence des courants statoriques doit être
imposée par la fréquence de rotation du rotor:
s = p . r
Un capteur de position placé en bout d’arbre permet de
contrôler la position angulaire du rotor par rapport au
stator .
Un convertisseur auto pilotera à partir des informations
délivrées par le capteur.
Les instants de commutation des interrupteurs statiques
du convertisseur sont commandés pour obtenir :
s = r

10. Schéma de principe (onduleur de tension)
capacité
Redresseur
Réseau
Onduleur MS
aimants
L ’onduleur de tension est contrôlé en courant
i0
capteur
commande
Contrôle de 
I0 réf

11. Schéma de principe (onduleur de courant)
Inductance
Redresseur
commandé
Réseau
capteur
commande
Contrôle de 
commande
Capteur i0
+
-
I0 réf
Onduleur MS
excitation
sommaire

12. TECHNOLOGIE

13. CONSTITUTION
Le moteur est généralement constitué:
d ’un rotor à aimants permanents,
d ’un stator constitué d ’un enroulement
triphasé,
d ’un capteur de position (résolver ou
codeur),
d ’une sonde de température,
 d ’un frein électromécanique.

14. capteurs
Câblage
puissance
frein
sonde
Câblage
résolver Câblage
codeur
CM
statorique
Enroulements
statoriques
Aimants
permanents
Sonde de
température
Frein à
disque
resolver codeur
carcasse
sommaire

15. Rotor à aimants permanents
N
N
N
S
S
S
Les aimants sont disposés en
tuiles.
Ils peuvent être collés, vissés ou
enserrés dans une frette
amagnétique
Cette solution est adoptée pour des géométries longues
mais étroites . On favorise les vitesses élevées.
rotor
Machine 6 pôles

16. Rotor à aimants permanents
Pour mieux connaître ces matériaux ; se reporter au chapitre « aimants permanents »
N N
rotor
Pièces polaires (concentration du flux)
aimants
Cette disposition permet d’avoir
des inductions de 3 à 5 fois
supérieures à la structure
précédente
On peut plus facilement augmenter le nombre de pôles
Machine 6 pôles
photo

17. Rotor à aimants permanents
aimants
Pièces polaires

18. Stator
Carcasse
Circuit magnétique feuilletée
tôle à « grains orientés »
à 3,5% de silicium
pertes fer 1,4 W/kg sous 1,8T
Pertes Pf dans le fer
2
2
2
f
Bm
e
V
Pf


V : volume de tôles
e : épaisseur des tôles
 : résistivité des tôles
Bm : induction maximum
f : fréquence

19. Stator
Bobinage
phase 1
Bobinage
phase 2
Bobinage
phase 3
Machine 6 pôles

20. Stator
Constitution des pôles avec les enroulements
2 types de bobinages
Par sections
E S
Toutes les sections
sont identiques
Par bobines
E S
Toutes les sections
sont différentes
Chaque faisceau
est logé dans
une encoche

21. Par pôles
conséquents
Par pôles
Stator
2 câblages possibles pour produire les pôles
Schéma des enroulements en bobines par pôle
E1 S1
E2 E3 S2
S2
Zone
active
chignon
chignon
N N
S S

22. Stator
E1 S1
E2
S2 E3
S3
Zone
active
chignon
chignon
Schéma des enroulements en bobines par pôle conséquents
N N
S S

23. Stator
Pour la fabrication des enroulements on utilise :
- un seul gabarit si on travaille en section
- un seul gabarit par phase si on travaille en pôles conséquents
Le chignon est moins complexe à réaliser avec des bobines
qu ’avec des sections.
Pour produire les pôles avec des sections on
procède de la même façon que précédemment.

24. Le frein mécanique
Disque
acier
Aimant
permanent
Entrefer 0,3 mm
bobine
ressort
moyeu Surface de
friction
L ’aimant produit un champ
magnétique qui attire le
disque acier contre la surface
de friction.
 blocage du moteur
La bobine est alimentée en
courant continu. Elle produit
un champ inverse à l’aimant.
 Le disque acier est libéré
Le frein est du type
« à manque de courant »

25. Le frein mécanique
Avantages par rapport au frein à ressort :
- temps de blocage très rapide (  40 ms) pour 150 à
200 ms avec les freins à ressorts.
- pas de rebondissement du disque.
- frein plus compact.
Sa vocation n ’est pas d ’effectuer des freinages
dynamiques mais d ’assurer un blocage du rotor.
On l ’appelle « frein de parking ».

26. Le frein mécanique
Caractéristique du couple de freinage Cf
24V
28V
16V
0 Tension
d ’alimentation
du frein
Cf

27. Contrainte thermique
La température de la carcasse peut atteindre
des températures de 110 °C pour une
température de 140 °C des bobinages

28. Contrainte thermique
C ’est la classe des isolants qui détermine la
température maximale admissible sur les
enroulements d ’un moteur
Nécessité de surveiller la température
des enroulements par sonde thermique
Classe Y A E B F H C
échauffement maximal
(°C)
45 60 75 80 100 125 ...
température maximale
d'emploi (°C)
90 105 120 130 155 180 > 180
Extrait de la norme C51 111
La température maximale est définie pour une température ambiante de 40°C
On retrouve principalement 3 classes d ’isolant