Conception de moteurs électriques et processus de développement

Com­ment dévelop­per un moteur élec­trique avec un ren­de­ment élevé et quel est le logi­ciel le plus appro­prié pour cela. La procé­dure décrite ici peut être util­isée aus­si bien pour les moteurs AC que pour les moteurs DC. Les moteurs AC com­pren­nent égale­ment les moteurs BLDC, égale­ment appelés moteurs à courant con­tinu sans bal­ais. Les moteurs à flux axi­al et les moteurs à induc­tion, comme ceux de Tes­la, sont égale­ment dévelop­pés à l’aide de cette méth­ode. Les étapes de la con­cep­tion des moteurs et les cal­culs élec­tro­mag­né­tiques des moteurs élec­triques sont décrits ci-dessous.

Conception de moteurs électriques et processus de développement
Con­cep­tion de moteurs élec­triques et proces­sus de développement

1) Définir les exigences du moteur électrique

La pre­mière étape pour con­cevoir un moteur élec­trique est de définir ce qu’il doit faire et pou­voir faire. Dans l’in­dus­trie, on par­le aus­si de définir les exi­gences aux­quelles le moteur élec­trique doit répon­dre. En d’autres ter­mes, quels doivent être le cou­ple et la vitesse de rota­tion du moteur élec­trique ? Quelle est la puis­sance et le ren­de­ment, quelle est la longueur du moteur, quel est le diamètre du moteur. Il faut tou­jours com­mencer par définir les exi­gences de l’ap­pli­ca­tion spé­ci­fique, par exem­ple d’un véhicule élec­trique, d’un bateau élec­trique ou d’un avion élec­trique. Les exi­gences rel­a­tives à l’en­traîne­ment élec­trique et au sys­tème de bat­terie devraient ensuite en découler. Les exi­gences rel­a­tives au moteur élec­trique et à l’on­d­uleur peu­vent ensuite être déduites des exi­gences rel­a­tives à l’en­traîne­ment élec­trique. Il con­vient égale­ment de class­er les exi­gences par ordre de pri­or­ité afin que chaque mem­bre de l’équipe de développe­ment sache ce qui est le plus impor­tant. Cette hiérar­chi­sa­tion est impor­tante pour pou­voir ensuite choisir le bon type de moteur électrique.

Déduire les exigences pour les moteurs électriques
Déduire les exi­gences pour les moteurs électriques

2) Créer l’architecture du système d’entraînement électrique

Il con­vient égale­ment d’établir une archi­tec­ture de sys­tème de l’en­traîne­ment élec­trique, com­posée du moteur élec­trique, d’un inverseur et, le cas échéant, d’un réduc­teur. Une archi­tec­ture de sys­tème aide à com­pren­dre com­ment les dif­férents com­posants inter­agis­sent entre eux, c’est-à-dire mécanique­ment, élec­trique­ment et ther­mique­ment. L’ar­chi­tec­ture aide à com­pren­dre les rela­tions et les inter­ac­tions entre le moteur élec­trique, l’in­verseur et le réduc­teur. L’ar­chi­tec­ture per­met de dis­cuter de la manière dont le sys­tème d’en­traîne­ment peut être opti­misé et où les coûts peu­vent être réduits.

Architecture du système d'un moteur électrique
Archi­tec­ture du sys­tème d’un moteur électrique

3) Choix du type de moteur électrique et comparaison

Lors de la présélec­tion, il con­vient de réfléchir très pré­cisé­ment au type de moteur élec­trique qui con­vient le mieux à l’ap­pli­ca­tion con­cernée. En effet, chaque moteur élec­trique a ses avan­tages et ses incon­vénients. À l’aide des exi­gences préal­able­ment notées et d’une hiérar­chi­sa­tion, il con­vient de com­par­er le type de moteur élec­trique le mieux adap­té à l’ap­pli­ca­tion spé­ci­fique. Il con­vient égale­ment de réfléchir à la quan­tité de moteurs élec­triques qui seront pro­duits par la suite. En effet, le nom­bre de pièces déter­mine égale­ment la tech­nolo­gie de bobi­nage util­isée pour le moteur élec­trique. Et la tech­nolo­gie de bobi­nage a une grande influ­ence sur le design du moteur électrique.

4) Choisir le point de départ pour la conception du moteur

Choisir le bon point de départ de son cal­cul n’est pas si impor­tant. Il existe des équa­tions per­me­t­tant d’es­timer la taille du moteur élec­trique pour une puis­sance don­née. Mais le mieux est de regarder les dimen­sions util­isées par les autres fab­ri­cants et les con­cur­rents qui ont des exi­gences sim­i­laires. La plu­part du temps, le point de départ pour le dimen­sion­nement du moteur élec­trique est déjà don­né par les exi­gences en matière de longueur et de diamètre du moteur.

5) Conception analytique électromagnétique du moteur

Des out­ils logi­ciels ana­ly­tiques sont util­isés pour la con­cep­tion et le cal­cul. Les paramètres tels que le diamètre, la longueur et la ten­sion du moteur élec­trique sont intro­duits dans le logi­ciel. Le logi­ciel de con­cep­tion de moteur cal­cule ensuite le cou­ple et la vitesse de rota­tion de manière ana­ly­tique à l’aide d’une équa­tion. Cela ne prend que quelques sec­on­des pour obtenir un résul­tat. On mod­i­fie ensuite les paramètres jusqu’à ce que l’on obti­enne le cou­ple souhaité. L’adap­ta­tion des paramètres néces­site beau­coup d’ex­péri­ence, car chaque paramètre a une influ­ence directe sur dif­férentes car­ac­téris­tiques du moteur élec­trique. On peut par exem­ple utilis­er des algo­rithmes d’op­ti­mi­sa­tion qui nous aident à dévelop­per un moteur élec­trique par­ti­c­ulière­ment effi­cace. Toute­fois, le cal­cul ana­ly­tique a un gros hic : la pré­ci­sion du résul­tat de la vitesse, du cou­ple et du ren­de­ment. La pré­ci­sion se situe générale­ment entre 70 et 80 %. Elle dépend de la com­plex­ité du moteur élec­trique et du logi­ciel util­isé. Com­ment peut-on main­tenant amélior­er la pré­ci­sion, respec­tive­ment véri­fi­er son résultat ?

Conception analytique du moteur électrique
Con­cep­tion ana­ly­tique du moteur électrique

6) Simulation 2D FEM de moteurs électriques

La meilleure façon de véri­fi­er le cal­cul ana­ly­tique est d’u­tilis­er une sim­u­la­tion FEM 2D. Dans ce cas, 2D sig­ni­fie que le moteur est divisé en plusieurs petits morceaux dans les deux dimen­sions X et Y. Plus ces morceaux sont petits, plus le résul­tat est pré­cis, mais cela néces­site aus­si plus de temps de cal­cul. Les résul­tats peu­vent ensuite être util­isés pour amélior­er les paramètres dans le cal­cul ana­ly­tique. Pourquoi faire un pas en arrière vers un cal­cul ana­ly­tique ? Dans une sim­u­la­tion bidi­men­sion­nelle, on ne cal­cule en général qu’un seul point de charge, c’est-à-dire le ren­de­ment pour un seul point de vitesse/couple. Cela prend générale­ment plusieurs min­utes, voire plusieurs heures, c’est pourquoi il est plus judi­cieux de cal­culer une courbe car­ac­téris­tique de ren­de­ment de manière ana­ly­tique, avec des paramètres adap­tés issus de la sim­u­la­tion 2D.

Simulation FEM 2D d'un moteur électrique
Sim­u­la­tion FEM 2D d’un moteur électrique

Top 10 logi­ciels de con­cep­tion de moteurs électriques »

7) Simulation 3D FEM de moteurs électriques

Quand et pourquoi a‑t-on encore besoin d’une sim­u­la­tion 3D ? La sim­u­la­tion 2D part du principe que la struc­ture se répète dans la direc­tion Z. Mais si l’on regarde par exem­ple le moteur élec­trique d’en haut, ce n’est pas le cas en haut et en bas, aux extrémités du moteur élec­trique. Des flux de fuite peu­vent appa­raître aux extrémités supérieures et inférieures du moteur et il con­vient d’es­timer l’im­por­tance de leur influ­ence. Pour les moteurs élec­triques très courts, l’in­flu­ence des flux de fuite peut être impor­tante. C’est pourquoi il faut réin­té­gr­er les résul­tats de la sim­u­la­tion 3D dans la sim­u­la­tion 2D. En effet, le cal­cul d’une car­ac­téris­tique de moteur élec­trique dans une sim­u­la­tion 3D néces­sit­erait trop de capac­ité de cal­cul et de temps. Un autre exem­ple pour lequel des sim­u­la­tions 3D sont néces­saires est celui des moteurs à flux axi­al, pour lesquels le champ élec­tro­mag­né­tique varie dans les trois dimen­sions. Même les moteurs élec­triques très longs peu­vent être soumis à des vibra­tions de flex­ion de l’ar­bre, ce qui mod­i­fie la dis­tance entre le rotor et le sta­tor sur la longueur. Cette dis­tance est égale­ment appelée entre­fer et sa mod­i­fi­ca­tion a naturelle­ment une influ­ence sur le cou­ple et son évolution.

Points supplémentaires pour le développement de moteurs électriques

Test et mesure du moteur électrique

Celui qui simule et cal­cule devrait bien sûr aus­si savoir com­ment véri­fi­er ses résul­tats. En effet, la dif­férence entre la théorie et la pra­tique est plus grande dans la pra­tique que dans la théorie. La véri­fi­ca­tion des résul­tats peut être divisée en 3 étapes. La mesure des matéri­aux, par exem­ple des aimants et de la tôle. La mesure des com­posants, par exem­ple le rotor avec les aimants et le sta­tor avec les enroule­ments. Et bien sûr, pour finir, une mesure active et pas­sive du moteur élec­trique com­plet. Il faut com­mencer le plus tôt pos­si­ble à mesur­er les matéri­aux et les com­posants et inté­gr­er les résul­tats dans la sim­u­la­tion afin de l’améliorer.

Conception mécanique et thermique du moteur électrique

La con­cep­tion et la sim­u­la­tion mécanique et ther­mique du moteur élec­trique sont égale­ment très impor­tantes. En effet, seule la sim­u­la­tion ther­mique per­met de déter­min­er com­bi­en de temps le moteur élec­trique peut réelle­ment fournir sa puis­sance max­i­male. La procé­dure pour la con­cep­tion et le cal­cul ther­miques est très sim­i­laire à la con­cep­tion élec­tro­mag­né­tique décrite ci-dessus. Les résul­tats de la sim­u­la­tion élec­tro­mag­né­tique, comme par exem­ple les puis­sances dis­sipées, sont inté­grés dans la sim­u­la­tion ther­mique. Une sim­u­la­tion mécanique est par­ti­c­ulière­ment impor­tante si le moteur élec­trique génère de grands cou­ples ou atteint des vitesses de rota­tion élevées.