Comprendre la démagnétisation dépendante de la température

En combinant des simulations de fluides et d'électromagnétisme, la démagnétisation basée sur la température des aimants permanents utilisés dans les véhicules électriques peut être mieux déterminée.

Les aimants permanents sont fréquemment utilisés dans diverses machines électriques à hautes performances, telles que les moteurs et les générateurs de véhicules électriques et hybrides. Lorsqu'une machine électrique est surchargée ou après un court-circuit, une démagnétisation irréversible peut se produire en raison d'un fort champ de démagnétisation et/ou d'une élévation de température, les deux principales raisons de la démagnétisation. Cela peut réduire considérablement la propriété de génération de flux des aimants, ce qui réduit à son tour le rendement électrique global de la machine. Les concepteurs de machines électriques doivent savoir ce qui arrive réellement à l'aimant afin de pouvoir choisir un aimant permanent aux caractéristiques appropriées, ainsi que des systèmes de refroidissement adaptés pour résister à cette démagnétisation. La combinaison d'un logiciel de simulation de fluides (ANSYS Fluent) et d'une simulation d'électromagnétisme (ANSYS Maxwell) permet d'évaluer avec précision la démagnétisation qui se produit en raison des surcharges et des changements de température. Les surcharges et l'échauffement peuvent se produire indépendamment ou en même temps, pendant un temps de défaut ou pendant le cycle de service normal.

Le logiciel de simulation d'électromagnétisme propose un modèle d'aimant permanent dépendant de la température qui peut capturer la démagnétisation due à l'élévation de température et aux surcharges. Dans ce modèle, la température de l'aimant peut être assignée comme une température uniforme constante. Pour plus de précision, la température peut également être calculée à l'aide d'un logiciel CFD, à partir des pertes cartographiées par le logiciel de simulation d'électromagnétisme. La mécanique des fluides est largement utilisée dans l'industrie et le milieu universitaire pour la conception de la gestion thermique des machines électriques. 

Les aimants sont constitués de nombreux champs magnétiques et chaque champ a un vecteur de moment magnétique. L'orientation des vecteurs des différents champs magnétiques peut être assez inégale. L'aimantation, M, est obtenue en intégrant les vecteurs de moments magnétiques sur tout le volume magnétique, M ayant toujours la même unité de force magnétique que H. Le matériau permanent est donc décrit par la formule suivante :

           B = u0(M+H)

Dans celui-ci, u0M est la densité de flux intrinsèque Bi, B est la densité de flux mesurable, également appelée B normale, et u0H est le débit d'air. Ainsi Bi = B-u0H et, que B ou Bi soient donnés, l'autre quantité est toujours connue, et l'aimant peut être entièrement caractérisé à une température particulière. C'est l'approche actuellement utilisée par le logiciel de simulation d'électromagnétisme ANSYS Maxwell. Puisque la courbe BiH s'applique à une certaine température, l'aimant ne peut être bien défini qu'à cette température. Pour caractériser complètement l'aimant en fonction de la température, la rémanence magnétique (Br) et la coercivité doivent également être définies en fonction de la température :

 Br(T) = Br(À) x [1+ ∂(T-À)]

Hci(T) = Hci(À) x [1+ß(T-À)]

Les paramètres ∂ et ß des fonctions de température sont généralement marqués par le constructeur, mais le simulateur peut les extraire de la famille de courbes intrinsèques BiH données. La figure 1 montre un exemple de modèle d'aimant dépendant de la température et la fonction dépendant de la température. L'entrée de ce modèle est une simple courbe BiH à une température donnée et la fonction de dépendance à la température. Avec cela, le logiciel lui-même génère automatiquement les courbes à d'autres températures. 

Les gradients de température de l'aimant provoquent souvent une démagnétisation non uniforme des différentes parties de l'aimant. Pour capter ce phénomène de démagnétisation une distribution spatiale de la température de l'aimant permanent est nécessaire, et c'est dans ce cas qu'un logiciel fluide peut être utilisé. Par exemple, un moteur à aimant permanent interne peut être modélisé dans un cadre logiciel de simulation d'ingénierie tel qu'ANSYS Workbench en utilisant l'électromagnétisme ANSYS Maxwell et le logiciel de simulation de fluide ANSYS Fluent. Tout d'abord, le modèle de dépendance à la température est défini dans ANSYS Maxwell et le moteur est représenté fonctionnant dans des conditions de fonctionnement normales. Pour capturer le courant localisé (courant de Foucault) et la perte de noyau, le solveur transitoire ANSYS Maxwell serait utilisé pour calculer la distribution de la perte de courant dans le temps, à une température initiale. . La distribution de la perte ainsi obtenue est représentée sur la figure 2. Ces données sont utilisées comme source de chaleur dans Fluent pour le calcul thermique. 

Dans ANSYS Fluent, un modèle thermique est généré sur la base de la même géométrie du moteur. En utilisant les pertes calculées dans ANSYS Maxwell comme source de chaleur, la distribution de température du moteur est calculée. L'utilisation du solveur stationnaire ANSYS Fluent est une option valable car l'échelle de temps électrique est beaucoup plus petite que l'échelle de temps thermique. La cartographie de distribution de température est ensuite automatiquement transmise à ANSYS Maxwell, où l'aimant est défini comme dépendant de la température. En raison de cette cartographie, les propriétés magnétiques des aimants changeront en fonction de la distribution spatiale de la température. Le simulateur électromagnétique sera réactivé pour tenir compte des effets de la variation de la distribution de température sur le fonctionnement global du moteur. Il s'agit d'une solution itérative, et après quatre ou cinq itérations, la solution converge généralement. A partir de là, les effets de la température dans ces conditions de fonctionnement particulières peuvent être étudiés.  

La figure 4 montre le couple moteur sous et sans les effets de la température. Des températures élevées inhibent la génération de couple. Cette information n'a pas pu être obtenue sans comprendre la dépendance à la température de l'aimant et la distribution réelle de la température. Les aimants des machines à hautes performances peuvent subir de graves démagnétisations dues à une surcharge et/ou à des températures élevées. La démagnétisation peut altérer considérablement le fonctionnement électrique de la machine. La connaissance de ce phénomène est essentielle pour que les concepteurs de machines puissent sélectionner correctement les matériaux magnétiques et les méthodes de refroidissement. ANSYS Maxwell et ANSYS Fluent peuvent générer des modèles d'aimants dépendant de la température, ainsi qu'une capacité de distribution de température, pour permettre aux concepteurs d'obtenir une image fidèle de ce qui se passe physiquement. 

Cette simulation couplée est entièrement réalisée dans l'environnement ANSYS Workbench. C'est une solution complète pour étudier le phénomène de démagnétisation dû aux surcharges et aux effets de la température.