Comparés aux moteurs à flux radial, les moteurs à flux axial présentent de nombreux avantages pour la conception de véhicules électriques. Par exemple, ils permettent de modifier la conception du groupe motopropulseur en déplaçant le moteur de l'essieu vers l'intérieur des roues.
1. Axe du pouvoir
Moteurs à flux axialIls suscitent une attention croissante (prennent de l'ampleur). Depuis de nombreuses années, ce type de moteur est utilisé dans des applications stationnaires telles que les ascenseurs et les machines agricoles. Cependant, au cours de la dernière décennie, de nombreux développeurs ont travaillé à l'amélioration de cette technologie et à son application aux motos électriques, aux modules d'aéroport, aux camions de fret, aux véhicules électriques et même aux avions.
Les moteurs à flux radial traditionnels utilisent des aimants permanents ou des moteurs à induction, qui ont considérablement progressé en termes de poids et de coût. Cependant, leur développement est confronté à de nombreuses difficultés. Le flux axial, un type de moteur totalement différent, pourrait constituer une bonne alternative.
Comparativement aux moteurs radiaux, la surface magnétique effective des moteurs à aimants permanents à flux axial correspond à la surface du rotor, et non à son diamètre extérieur. Par conséquent, dans un certain volume de moteur, les moteurs à aimants permanents à flux axial peuvent généralement fournir un couple plus élevé.
Moteurs à flux axialsont plus compacts ; leur longueur axiale est bien plus courte que celle des moteurs radiaux. Pour les moteurs à roue interne, ce facteur est souvent crucial. La structure compacte des moteurs axiaux garantit une densité de puissance et de couple supérieure à celle des moteurs radiaux similaires, éliminant ainsi le besoin de vitesses de fonctionnement extrêmement élevées.
Le rendement des moteurs à flux axial est également très élevé, dépassant généralement 96 %. Ceci est dû au trajet de flux unidimensionnel plus court, dont le rendement est comparable, voire supérieur, à celui des meilleurs moteurs à flux radial 2D du marché.
La longueur du moteur est plus courte, généralement 5 à 8 fois plus courte, et le poids est également réduit de 2 à 5 fois. Ces deux facteurs ont modifié le choix des concepteurs de plateformes de véhicules électriques.
2. Technologie de flux axial
Il existe deux topologies principales pourmoteurs à flux axial:machines à rotor unique et stator unique (parfois appelées machines de type tore) et machines à rotor unique et stator double.
Actuellement, la plupart des moteurs à aimants permanents utilisent une topologie à flux radial. Le circuit de flux magnétique part d'un aimant permanent sur le rotor, traverse la première dent du stator, puis circule radialement le long de celui-ci. Il traverse ensuite la deuxième dent pour atteindre le second aimant du rotor. Dans une topologie à flux axial à double rotor, la boucle de flux part du premier aimant, traverse axialement les dents du stator et atteint immédiatement le second aimant.
Cela signifie que le trajet du flux est beaucoup plus court que celui des moteurs à flux radial, ce qui se traduit par des volumes de moteur plus petits, une densité de puissance et une efficacité plus élevées à la même puissance.
Un moteur radial, où le flux magnétique traverse la première dent, puis retourne à la dent suivante via le stator, atteignant l'aimant. Le flux magnétique suit une trajectoire bidimensionnelle.
Le flux magnétique d'une machine à flux magnétique axial étant unidimensionnel, un acier électrique à grains orientés peut être utilisé. Cet acier facilite le passage du flux, améliorant ainsi le rendement.
Les moteurs à flux radial utilisent traditionnellement des bobinages distribués, dont jusqu'à la moitié des extrémités sont inopérantes. Le porte-à-faux de la bobine entraîne un surpoids, un coût, une résistance électrique et des pertes thermiques accrus, obligeant les concepteurs à améliorer la conception des bobinages.
Les extrémités de la bobine demoteurs à flux axialLes pertes sont bien moindres, et certaines conceptions utilisent des enroulements concentrés ou segmentés, parfaitement efficaces. Pour les machines radiales à stator segmenté, la rupture du flux magnétique dans le stator peut entraîner des pertes supplémentaires, mais pour les moteurs à flux axial, ce n'est pas un problème. La conception du bobinage est essentielle pour déterminer le niveau de performance des fournisseurs.
3. Développement
Les moteurs à flux axial présentent de sérieux défis de conception et de production. Malgré leurs avantages technologiques, leurs coûts sont bien supérieurs à ceux des moteurs radiaux. Les moteurs radiaux sont bien connus du grand public, et les méthodes de fabrication et les équipements mécaniques sont facilement accessibles.
L'un des principaux défis des moteurs à flux axial est de maintenir un entrefer uniforme entre le rotor et le stator. En effet, la force magnétique est bien supérieure à celle des moteurs radiaux, ce qui complique le maintien d'un entrefer uniforme. Le moteur à flux axial à double rotor présente également des problèmes de dissipation thermique, car le bobinage est situé profondément dans le stator, entre les deux disques du rotor, ce qui complique considérablement la dissipation thermique.
Les moteurs à flux axial sont également difficiles à fabriquer pour de nombreuses raisons. La machine à double rotor utilisant une topologie à culasses (c'est-à-dire en retirant la culasse en fer du stator tout en conservant les dents en fer) permet de résoudre certains de ces problèmes sans augmenter le diamètre du moteur et l'aimant.
Cependant, le retrait du joug pose de nouveaux défis, notamment la fixation et le positionnement des dents individuelles sans connexion mécanique. Le refroidissement représente également un défi plus important.
Il est également difficile de fabriquer le rotor et de maintenir l'entrefer, car le disque rotorique attire le rotor. L'avantage réside dans le fait que les disques rotoriques sont directement reliés par une bague d'arbre, ce qui annule les forces. Le palier interne ne résiste donc pas à ces forces et sa seule fonction est de maintenir le stator en position médiane entre les deux disques rotoriques.
Les moteurs monorotor à double stator ne présentent pas les mêmes difficultés que les moteurs circulaires, mais la conception du stator est beaucoup plus complexe et difficile à automatiser, et les coûts associés sont également élevés. Contrairement aux moteurs à flux radial traditionnels, les procédés de fabrication et les équipements mécaniques des moteurs axiaux sont récents.
4. Application des véhicules électriques
La fiabilité est cruciale dans l’industrie automobile, et il est essentiel de prouver la fiabilité et la robustesse des différentsmoteurs à flux axialConvaincre les fabricants de la pertinence de ces moteurs pour la production en série a toujours été un défi. Cela a incité les fournisseurs de moteurs axiaux à mener eux-mêmes des programmes de validation approfondis, chacun démontrant que la fiabilité de ses moteurs ne diffère pas de celle des moteurs à flux radial traditionnels.
Le seul composant qui peut s'user dans unmoteur à flux axialLes roulements constituent le cœur du moteur. La longueur du flux magnétique axial est relativement courte et la position des roulements est plus rapprochée, généralement conçue pour être légèrement surdimensionnée. Heureusement, le moteur à flux axial présente une masse de rotor plus faible et peut supporter des charges dynamiques sur l'arbre rotor plus faibles. Par conséquent, la force réelle appliquée aux roulements est bien inférieure à celle du moteur à flux radial.
L'essieu électronique est l'une des premières applications des moteurs axiaux. Leur faible largeur permet d'encapsuler le moteur et le réducteur dans l'essieu. Dans les applications hybrides, la longueur axiale plus courte du moteur réduit à son tour la longueur totale du système de transmission.
L'étape suivante consiste à installer le moteur axial sur la roue. Ainsi, la puissance peut être transmise directement du moteur aux roues, améliorant ainsi son rendement. La suppression des transmissions, des différentiels et des arbres de transmission a également permis de réduire la complexité du système.
Cependant, il semble que les configurations standard n'aient pas encore été établies. Chaque équipementier recherche des configurations spécifiques, car les différentes tailles et formes des moteurs axiaux peuvent modifier la conception des véhicules électriques. Comparés aux moteurs radiaux, les moteurs axiaux présentent une densité de puissance plus élevée, ce qui permet d'utiliser des moteurs axiaux plus petits. Cela offre de nouvelles options de conception pour les plateformes de véhicules, comme l'emplacement des batteries.
4.1 Armature segmentée
La topologie de moteur YASA (Yokeless and Segmented Armature) est un exemple de topologie à double rotor et simple stator, réduisant la complexité de fabrication et adaptée à la production de masse automatisée. Ces moteurs présentent une densité de puissance allant jusqu'à 10 kW/kg à des vitesses de rotation comprises entre 2 000 et 9 000 tr/min.
Grâce à un contrôleur dédié, il peut fournir un courant de 200 kVA au moteur. Le contrôleur, d'un volume d'environ 5 litres et d'un poids de 5,8 kg, inclut une gestion thermique avec refroidissement par huile diélectrique, adaptée aux moteurs à flux axial, asynchrone et radial.
Cela permet aux fabricants d'équipement d'origine et aux développeurs de véhicules électriques de choisir en toute flexibilité le moteur adapté à l'application et à l'espace disponible. La taille et le poids réduits allègent le véhicule et lui confèrent davantage de batteries, augmentant ainsi l'autonomie.
5. Application des motos électriques
Pour les motos et VTT électriques, certaines entreprises ont développé des moteurs à courant alternatif à flux axial. La conception la plus courante pour ce type de véhicule est celle à flux axial à balais CC, tandis que le nouveau produit est une conception à courant alternatif sans balais entièrement étanche.
Les bobines des moteurs à courant continu et à courant alternatif restent fixes, mais les rotors doubles utilisent des aimants permanents au lieu d'armatures rotatives. L'avantage de cette méthode est qu'elle ne nécessite pas d'inversion mécanique.
La conception axiale CA peut également utiliser des contrôleurs de moteur CA triphasés standard pour les moteurs radiaux. Cela permet de réduire les coûts, car le contrôleur contrôle le courant et le couple, et non la vitesse. Le contrôleur nécessite une fréquence de 12 kHz ou plus, fréquence principale de ces dispositifs.
La fréquence plus élevée provient de l'inductance d'enroulement plus faible de 20 µH. Cette fréquence permet de contrôler le courant afin de minimiser l'ondulation et d'assurer un signal sinusoïdal aussi régulier que possible. D'un point de vue dynamique, c'est un excellent moyen d'obtenir un contrôle moteur plus fluide en permettant des variations rapides de couple.
Cette conception adopte un enroulement à double couche distribué, de sorte que le flux magnétique circule du rotor vers un autre rotor via le stator, avec un chemin très court et une efficacité plus élevée.
L'avantage de cette conception réside dans sa capacité à fonctionner à une tension maximale de 60 V et à ne pas être adaptée aux systèmes à tension plus élevée. Elle peut donc être utilisée pour les motos électriques et les véhicules à quatre roues de classe L7e, comme la Renault Twizy.
La tension maximale de 60 V permet d'intégrer le moteur dans les systèmes électriques traditionnels de 48 V et simplifie les travaux de maintenance.
Les spécifications des motos à quatre roues L7e, définies dans le règlement-cadre européen 2002/24/CE, stipulent que le poids des véhicules utilisés pour le transport de marchandises ne doit pas dépasser 600 kilogrammes, hors batteries. Ces véhicules ne peuvent transporter plus de 200 kilogrammes de passagers, plus de 1 000 kilogrammes de marchandises et une puissance moteur maximale de 15 kilowatts. Le bobinage distribué permet de fournir un couple de 75 à 100 Nm, avec une puissance de sortie maximale de 20 à 25 kW et une puissance continue de 15 kW.
Le défi du flux axial réside dans la façon dont les enroulements en cuivre dissipent la chaleur, ce qui est complexe car la chaleur doit traverser le rotor. Le bobinage distribué est la solution idéale, car il présente un grand nombre d'encoches polaires. De cette façon, la surface entre le cuivre et la coque est plus grande, ce qui permet de transférer la chaleur vers l'extérieur et de l'évacuer par un système de refroidissement liquide standard.
La multiplicité des pôles magnétiques est essentielle pour exploiter les formes d'onde sinusoïdales, contribuant ainsi à réduire les harmoniques. Ces harmoniques se manifestent par un échauffement des aimants et du noyau, tandis que les composants en cuivre ne peuvent pas évacuer la chaleur. L'accumulation de chaleur dans les aimants et les noyaux en fer diminue le rendement. C'est pourquoi l'optimisation de la forme d'onde et du chemin thermique est cruciale pour les performances du moteur.
La conception du moteur a été optimisée pour réduire les coûts et permettre une production de masse automatisée. L'anneau de boîtier extrudé ne nécessite aucun usinage mécanique complexe et permet de réduire les coûts de matériaux. La bobine peut être bobinée directement et un procédé de collage est utilisé lors du bobinage pour maintenir la forme de l'assemblage.
L'essentiel est que la bobine soit constituée d'un fil standard disponible dans le commerce, tandis que le noyau de fer est laminé avec de l'acier standard pour transformateur, qu'il suffit de découper. D'autres conceptions de moteurs nécessitent l'utilisation de matériaux magnétiques doux pour la stratification du noyau, ce qui peut s'avérer plus coûteux.
L'utilisation d'enroulements distribués évite la segmentation de l'acier magnétique ; les formes sont plus simples et plus faciles à fabriquer. La réduction de la taille de l'acier magnétique et sa facilité de fabrication contribuent significativement à la réduction des coûts.
La conception de ce moteur à flux axial peut également être personnalisée selon les besoins du client. Des versions personnalisées sont développées à partir d'une conception de base. Elles sont ensuite fabriquées sur une ligne de production d'essai pour une vérification préliminaire de la production, puis reproduites dans d'autres usines.
La personnalisation est principalement due au fait que les performances du véhicule dépendent non seulement de la conception du moteur à flux magnétique axial, mais également de la qualité de la structure du véhicule, de la batterie et du BMS.
Date de publication : 28 septembre 2023