Optimisation de nouvelles conceptions de moteurs électriques

-   Et comment les analyseurs de puissance de Yokogawa jouent un rôle clé dans les tests d'efficacité des moteurs de véhicules électriques -

Les analyseurs de puissance Yokogawa (wattmètres) jouent un rôle clé dans les tests visant à optimiser le rendement d'une nouvelle génération de moteurs pour véhicules électriques développés par la société allemande FEAAM, spécialisée dans les systèmes de transmission, en collaboration avec l'Institut des moteurs électriques et des actionneurs de l'Universität der Bundeswehr (Université des forces armées fédérales) à Neubiberg près de Munich.

Les nouveaux moteurs sont développés dans le cadre d'un projet de recherche visant à explorer comment augmenter l'efficacité des moteurs à induction, afin de remettre en question deux prétendues limitations qui entravent l'acceptation des voitures électriques par le marché, à savoir la courte portée et le prix d'achat élevé. Dans ce projet de recherche, les composants du groupe motopropulseur sont étudiés et les tests sont basés sur des cycles de conduite : le même concept utilisé dans les tests d'efficacité et d'émissions des moteurs à combustion interne. Un élément important de cette approche est que les résultats ne dépendent pas du rendement dans des conditions de pleine charge, mais de charge partielle.

Remontage denté (“Bobinage à une seule dent»)
Une approche prometteuse pour optimiser le rendement des moteurs électriques est le concept de moteurs asynchrones à enroulements concentrés. Contrairement à un moteur à induction à enroulement distribué conventionnel, où les bobines sont enroulées autour de plusieurs dents de laminage, les enroulements de ces moteurs n'utilisent qu'une seule dent. Bien que cette technique soit connue depuis longtemps, il n'y a pas eu d'applications pratiques en raison des interférences harmoniques associées.

Dans ce projet de recherche commun, l'équipe FEAAM-Université a analysé très précisément les champs magnétiques dans le moteur, grâce à une combinaison de simulation et d'expériences pratiques. En conséquence, ils ont pu concevoir diverses mesures pour supprimer les harmoniques indésirables. Plus les harmoniques sont proches de l'onde de travail fondamentale, plus elles peuvent interférer avec le fonctionnement du moteur en provoquant des pertes électriques ou du bruit acoustique.

La réduction de l'impact des harmoniques est obtenue par une technique d'enroulement spéciale dans laquelle les bobines sur les dents adjacentes sont enroulées dans des directions opposées. Avec le réglage correct du nombre de fils dans chaque bobine, les harmoniques peuvent être réduites. Dans le projet de recherche, la structure des bobines a d'abord été simulée à l'aide de modèles mathématiques, pour ensuite vérifier les effets par des mesures.

sur le banc d'essai

L'Institut des moteurs électriques et des actionneurs de l'Université dispose de plusieurs installations pour tester les moteurs électriques, d'une puissance allant jusqu'à 220 kW et d'un couple maximal de 2.000 XNUMX N·m. Les bancs d'essai sont conçus pour un fonctionnement à quatre quadrants et sont équipés de capteurs de couple et de vitesse de haute précision, d'analyseurs de puissance et d'oscilloscopes. Ils sont utilisés aussi bien pour des projets étudiants que pour des travaux de recherche et de collaboration avec l'industrie.

Le processus de développement a duré environ deux ans et visait également à optimiser la fabricabilité, à réduire les coûts de production et à atteindre des performances élevées dans des conditions de charge partielle.

Prototype

Le résultat final intéresse l'industrie automobile et d'autres secteurs industriels. Il existe actuellement plusieurs demandes de brevet et les premiers prototypes ont été développés pour des partenaires industriels. Le prototype du nouveau moteur à induction équivaut à un moteur de traction conventionnel pour une voiture électrique et a une puissance d'environ 50 kW.

Le moteur est entraîné par trois phases jusqu'à 400 V. Les courants et les tensions sont mesurés à l'aide de transducteurs dans chaque phase, identifiant ainsi les asymétries. En plus des mesures d'efficacité, un enregistrement des caractéristiques de couple et de vitesse est effectué, qui est utilisé pour l'optimisation des modèles mathématiques. Comme la résistance du rotor, et donc aussi les pertes, augmentent avec la température, celle-ci est maintenue constante à l'aide d'un liquide de refroidissement et surveillée au moyen d'une caméra thermique.

De plus, les mesures sont prises dans différents cycles de conduite. Les tests de puissance et d'efficacité sont effectués à l'aide des analyseurs de puissance WT1600, WT1800 et WT3000 de Yokogawa. Les résultats, qui comprennent les mesures de couple, de vitesse et d'efficacité résultante, sont automatiquement transférés sur une feuille Excel.

« Nous utilisons plusieurs générations de wattmètres Yokogawa, et nous sommes très satisfaits de leur opérabilité et des résultats des tests », déclare le professeur Dieter Gerling, Ph.D. en ingénierie. "Il est particulièrement important que nous soyons très précis dans la mesure de l'efficacité, même lorsqu'elle est supérieure à 97 %, et nous avons constaté que nous pouvons avoir une confiance totale dans ces instruments."

Production de masse
En raison de sa facilité de production et de sa plus grande efficacité dans des conditions de charge partielle, le nouveau moteur à induction apporte des avantages à la fois en termes de coûts cp,p d'autonomie.

La nouvelle technologie de bobinage apportera également de nouveaux avantages dans la production. Les pièces embouties pour le stator peuvent être roulées individuellement puis simplement assemblées sur le moteur. Cela contraste avec les moteurs à induction conventionnels, où les plaques sont d'abord assemblées, puis le bobinage est appliqué d'une manière beaucoup plus compliquée. En raison de ce processus de production compliqué et des coûts élevés associés à ce type de moteur, ils ne sont pas idéaux pour la production de plusieurs millions d'unités par an, qui sont les chiffres généralement exigés par l'industrie automobile.

« Dans le passé, les moteurs électriques de cette gamme de puissance étaient produits par des entreprises de taille moyenne, à raison de quelques milliers par an », explique le professeur Dieter Gerling. "Dans l'industrie automobile, nous parlons de chiffres nettement plus élevés, donc les coûts associés sont plus importants."

"Cette industrie a beaucoup d'expérience dans la gestion des coûts", ajoute-t-il. "Cela s'applique bien sûr également à l'électronique de puissance et à la technologie des batteries."

Actuellement, les entreprises allemandes sont des leaders mondiaux du secteur automobile, mais le nombre de véhicules purement électriques qu'elles produisent est encore très faible par rapport aux constructeurs français, chinois et surtout japonais.

Selon le professeur Dieter Gerling, les constructeurs automobiles allemands ont déjà rattrapé, au moins en termes de technologie, leurs concurrents, ils seront donc bientôt en mesure de proposer des produits similaires.

Mobilité électrique

En plus du moteur électrique, l'équipe de la FEAAM et de l'Université a également travaillé sur l'optimisation des circuits électroniques de puissance, ainsi que sur les systèmes de contrôle du moteur. Encore une fois, il existe déjà des propositions pour optimiser l'efficacité dans des conditions de charge partielle. En outre, ils étudient également les systèmes de câblage électrique dans les véhicules et les avions. Dans tous ces domaines, il existe encore, selon le professeur Dieter Gerling, un grand potentiel d'amélioration.

Jusqu'à présent, peu d'attention avait été accordée aux questions de poids et d'efficacité des moteurs électriques, mais cette situation a radicalement changé avec l'avènement de la mobilité électrique. En particulier, les volumes de production inhérents à l'industrie automobile devraient conduire à des réductions de coûts massives. Les membres de l'équipe de l'Universität der Bundeswehr sont convaincus que l'avenir appartient aux véhicules équipés de moteurs électriques.