Les moteurs AC à flux radial offrent certains avantages en termes de performances et d'emballage, mais posent également des problèmes thermiques et de fabricabilité.
La première partie de cette série a examiné en détail le moteur à flux axial (AFM) et l'a comparé au moteur à flux radial (RFM) très largement utilisé. La partie 1 de cette FAQ a poursuivi l'exploration des AFM et des RFM. Cette dernière partie de la FAQ examine certains problèmes du monde réel associés à l'adoption des AFM.
Q : Quel facteur pourrait accélérer l’adoption des AFM ?
A: Il y a plusieurs facteurs. Premièrement, certaines applications telles que les véhicules électriques pourraient bénéficier des performances et du packaging des AFM, tels que les véhicules électriques. En outre, la conception AFM est grandement facilitée par les nouveaux outils CAO/FEA pour l'analyse du champ EM et des chemins de flux, les performances des matériaux, la tolérance aux erreurs, les performances thermiques et d'autres considérations. De nouvelles techniques, notamment l'utilisation de métaux motorisés pour fabriquer les aimants, offrent une nouvelle flexibilité de production. Enfin, il existe de nouvelles façons d'assembler les pièces et les tôles nécessaires des parties non enroulées du moteur.
Q : Les AFM sont-ils disponibles dans des unités prêtes à l'emploi avec une taille, une puissance et des performances standardisées comme le sont les RFM ?
A: Non, ce n’est pas le cas, mais cela ne constitue peut-être pas un obstacle. Les applications potentielles à grand volume telles que les véhicules électriques nécessiteront des conceptions AFM personnalisées hautement optimisées pour répondre à leur combinaison unique d'exigences, et elles auront le volume nécessaire pour prendre en charge une conception et une fabrication personnalisées. De nombreuses entreprises travaillent sur des approches innovantes en matière de conception d'AFM, prétendant (ou du moins espérant) offrir une conception supérieure du point de vue des performances, de la fabrication et des coûts.
Q : Qui sont certains de ces fournisseurs d’AFM ?
A: De nombreuses start-ups et petits fournisseurs effectuent un travail important dans ce domaine :
Mercedes-Benz affirme que l'AFM conçu par sa filiale YASA augmente la densité de puissance de plus de 30 % et offre un avantage d'autonomie de 5 % par rapport aux RFM qui alimentent généralement les véhicules électriques grand public. Une usine Mercedes-Benz reconvertie à Berlin construira des moteurs à flux axial pour la plate-forme exclusivement électrique AMG du constructeur automobile. Le principal défi sera d'adapter les différentes étapes de fabrication d'assemblage, de production et de soudage à la nouvelle conception, et d'apprendre à manipuler les matériaux composites magnétiques doux qu'ils utilisent.
Triaxial, filiale de la société belge Magmax BV, a également développé des AFM ciblant les véhicules électriques et les avions de mobilité électrique (taxis électriques, petits avions). Ils ont une conception exclusive sans joug qui, selon eux, est plus efficace, plus légère et plus facile à fabriquer.
Infinitum (Round Rock, Texas) affirme que son AFM innovant de 10 chevaux utilise 66 % de cuivre en moins, a 50 % de taille et de poids et utilise 10 % d'énergie en moins qu'un moteur RFM comparable. Ce sont certes des affirmations impressionnantes pour un moteur de plus petite puissance.
En plus de proposer un logiciel de CAO de conception de moteurs, ECM PCB Stator Tech (Needham, MA) développe une approche unique du stator. Plutôt que d'utiliser des bobines enroulées, ils étudient les AFM avec des stators utilisant des cartes de circuits imprimés à noyau d'air. Les stators PCB d'ECM remplacent les enroulements en cuivre trouvés dans les machines électriques conventionnelles par un stator ultra-mince, ce qui permet d'économiser de l'espace et d'offrir plus de flexibilité dans la conception, l'optimisation et la fabrication.
Notez que les fabricants de RFM établis n’ignorent pas les défis soulevés par les AFM. Par exemple, Magnetic Innovations affirme que leurs améliorations apportées aux RFM les rendent fonctionnellement compétitifs par rapport aux AFM tout en utilisant des processus de fabrication existants à faible coût.
Q : Tesla est un grand utilisateur de moteurs ; quel type utilisent-ils et s'agit-il d'AFM ?
A: La plupart des véhicules électriques Tesla utilisent un moteur synchrone à aimant permanent AC refroidi par liquide, avec entraînement à fréquence variable pour l'arrière, et un moteur à induction AC, également refroidi par liquide et avec entraînement à fréquence variable pour l'entraînement avant. Aucun des deux moteurs n’est un AFM, bien qu’ils exploreraient leur utilisation.
Les AFM pourraient éventuellement permettre au moteur d'être monté dans l'ensemble de roue lui-même, ce qui présente certains avantages en matière de conception et de production, mais cela ajoute également au poids non suspendu, ce qui dégrade la maniabilité du véhicule, le confort de conduite et d'autres aspects de contrôle.
Q : Enfin, quel est l'entraînement électrique d'un AFM par rapport à un RFM ?
A: La même électronique d'entraînement à fréquence variable (VFD) est utilisée, mais les algorithmes d'entraînement sont légèrement réajustés pour s'adapter aux différences de performances. Les premiers VFD étaient tous analogiques, mais ils ont été largement rendus obsolètes par les numériques contrôlés par processeur. Le VFD crée numériquement une onde sinusoïdale à partir d'un flux d'impulsions à haute fréquence et d'une modulation de largeur d'impulsion (PWM) (Figure 1). Le VFD module également l'accélération et la décélération des séquences de mise sous tension et d'arrêt afin de minimiser le courant d'appel, les surtensions, les vibrations et les éventuels dommages causés par les chocs au moteur ou à sa charge.
Le VFD règle, contrôle et modifie la fréquence de cette onde sinusoïdale en fonction de ce que le moteur est appelé à faire. Un amplificateur dans le VFD augmente ensuite ce signal sinusoïdal à la tension et au courant nécessaires pour alimenter le moteur. La fréquence porteuse d'un VFD est la fréquence de commutation PWM et varie généralement de 2 kHz à 20 kHz.
Cette sortie PWM haute fréquence est ensuite utilisée pour créer l'onde sinusoïdale basse fréquence et fournit la sortie à fréquence variable au moteur ; cette fréquence s'étend généralement de 0 Hz à 400 Hz. La taille physique et l'emballage d'un VFD à usage général pour les applications industrielles fixes vont d'un petit boîtier à une grande armoire, en fonction de la tension, du courant et du niveau de puissance requis (Figure 2).
En revanche, le variateur VFD destiné à une application spécialisée telle qu'un ou plusieurs moteurs de véhicules électriques sera une conception personnalisée avec des attributs et des performances étroitement adaptés au RFM ou à l'AFM spécifique utilisé ainsi qu'aux nombreux mandats de sécurité automobile et d'environnement d'exploitation. De plus, l'emballage sera conçu pour s'adapter à l'espace et à l'emplacement disponibles dans le véhicule ainsi que pour répondre aux problèmes thermiques et aux températures extrêmes d'un véhicule.
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Références externes
Université d'État de l'Iowa, « Caractéristiques motrices »
YASA, « Flux axial : l’avenir de la propulsion performante des véhicules électriques »
Ingénierie E-Mobilité, « Moteurs à flux axial »
Stanford Magnets, « Un aperçu du moteur à flux axial et de l'aimant du moteur à flux axial »
Magnet Academy, National Mag Lab, « Davenport Motor – 1834 »
Eaton, « Pourquoi la densité de couple est importante pour la conception des machines »
Horizon Technologie, « Conception de moteurs électriques : flux radial, flux axial et transversal »
Triaxial BV, « Moteur à flux axial vs moteur à flux radial : un focus sur l'orientation du champ magnétique »
Triaxial BV, « Pourquoi tous les moteurs de véhicules électriques ne sont-ils pas (encore) à flux axial ? »
Magnetic Innovations, « Qu'est-ce qu'un moteur à aimant permanent à flux radial ? »
Stores, « Quel moteur électrique Tesla utilise-t-il ? »
Tesla, « Sous-systèmes : types et spécifications de moteurs »
European Journal of Electrical Engineering, juin 2014, « Modélisation magnétique des moteurs à aimant permanent à flux radial et à flux axial pour l'automobile à entraînement direct. Spécifications et comparaison”
Laboratoire national d'Oak Ridge, « Une comparaison des machines à flux radial et axial à rotor extérieur pour une application dans les véhicules électriques »
Kilowatt Classroom LLC, « Principes fondamentaux du variateur de fréquence »
VFDS.org, « Entraînements à fréquence variable »