Comment réduire les pertes de fer du moteur

Facteurs influençant la consommation de fer de base

Pour analyser un problème, il est essentiel de connaître quelques théories fondamentales. Deux concepts sont à considérer : l’aimantation alternative, qui se produit, en termes simples, dans le noyau de fer d’un transformateur et dans les dents du stator ou du rotor d’un moteur ; et l’aimantation rotationnelle, produite par le stator ou le rotor du moteur. De nombreux articles partent de ces deux points et calculent les pertes fer du moteur en fonction de différentes caractéristiques, selon la méthode de résolution décrite ci-dessus. Des expériences ont montré que les tôles d’acier au silicium présentent les phénomènes suivants sous l’effet de ces deux types d’aimantation :
Lorsque la densité de flux magnétique est inférieure à 1,7 Tesla, les pertes par hystérésis dues à l'aimantation tournante sont supérieures à celles dues à l'aimantation alternée ; au-delà de 1,7 Tesla, c'est l'inverse. La densité de flux magnétique du circuit magnétique du moteur se situe généralement entre 1,0 et 1,5 Tesla, et les pertes par hystérésis dues à l'aimantation tournante sont alors environ 45 à 65 % supérieures à celles dues à l'aimantation alternée.
Bien entendu, les conclusions précédentes sont également utilisées, et je ne les ai pas personnellement vérifiées en pratique. De plus, lorsqu'un champ magnétique se modifie dans le noyau de fer, un courant y est induit, appelé courant de Foucault, et les pertes qu'il engendre sont appelées pertes par courants de Foucault. Afin de réduire ces pertes, le noyau de fer du moteur n'est généralement pas constitué d'un bloc unique, mais est constitué de tôles d'acier isolantes empilées axialement pour entraver la circulation des courants de Foucault. La formule de calcul précise de la consommation de fer ne sera pas détaillée ici. La formule de base et l'importance du calcul de la consommation de fer de Baidu seront clairement expliquées. L'analyse qui suit porte sur plusieurs facteurs clés influençant notre consommation de fer, permettant ainsi à chacun d'en déduire des conclusions et des hypothèses pour des applications pratiques en ingénierie.

Après avoir abordé les points précédents, pourquoi la fabrication par estampage influe-t-elle sur la consommation de fer ? Les caractéristiques du poinçonnage dépendent principalement de la forme des poinçonneuses et déterminent le mode de cisaillement et le niveau de contrainte en fonction des besoins des différents types de trous et de rainures, garantissant ainsi des zones de contrainte superficielle en périphérie de la tôle. Du fait de la relation entre la profondeur et la forme, les angles aigus ont souvent un impact, au point que des niveaux de contrainte élevés peuvent entraîner une perte de fer importante dans ces zones superficielles, notamment au niveau des arêtes de cisaillement relativement longues à l'intérieur de la tôle. Ce phénomène se produit principalement dans la région alvéolaire, qui fait souvent l'objet de recherches approfondies. Les tôles d'acier au silicium à faibles pertes sont généralement caractérisées par une taille de grain importante. L'impact peut provoquer des bavures et des déchirures au niveau du bord inférieur de la tôle, et l'angle d'impact influe considérablement sur la taille des bavures et des zones de déformation. Si une zone de fortes contraintes s'étend le long de la zone de déformation périphérique jusqu'à l'intérieur du matériau, la structure granulaire de ces zones subira inévitablement des modifications, se tordra ou se fracturera, et un allongement extrême du joint de grains se produira dans la direction de déchirure. Dans ce cas, la densité des joints de grains dans la zone de contraintes, dans la direction de cisaillement, augmentera inévitablement, entraînant une augmentation correspondante des pertes de fer dans cette région. Ainsi, à ce stade, le matériau dans la zone de contraintes peut être considéré comme un matériau à fortes pertes se superposant à la stratification ordinaire le long du bord d'impact. De cette manière, la constante réelle du matériau périphérique peut être déterminée, et les pertes réelles du bord d'impact peuvent ensuite être calculées à l'aide du modèle de pertes de fer.
1. Influence du processus de recuit sur la perte de fer
Les pertes fer sont principalement dues aux tôles d'acier au silicium. Les contraintes mécaniques et thermiques modifient leurs caractéristiques. Des contraintes mécaniques supplémentaires entraînent des variations des pertes fer. Par ailleurs, l'augmentation continue de la température interne du moteur favorise également l'apparition de ces pertes. Un recuit efficace, permettant d'éliminer les contraintes mécaniques supplémentaires, contribue à réduire les pertes fer au sein du moteur.

2. Raisons des pertes excessives dans les processus de fabrication

Les tôles d'acier au silicium, principal matériau magnétique des moteurs, ont un impact significatif sur leurs performances, car elles doivent répondre aux exigences de conception. De plus, les performances de tôles d'acier au silicium de même nuance peuvent varier d'un fabricant à l'autre. Lors du choix des matériaux, il est donc important de privilégier les fournisseurs reconnus d'acier au silicium. Voici quelques facteurs clés ayant déjà influencé la consommation de fer.

La tôle d'acier au silicium n'a pas été isolée ni traitée correctement. Ce type de problème peut être détecté lors des tests effectués sur les tôles d'acier au silicium, mais tous les fabricants de moteurs ne disposent pas de cet équipement de test, et ce problème est souvent méconnu.

Isolation endommagée entre les tôles ou courts-circuits entre elles. Ce type de problème survient lors de la fabrication du noyau magnétique. Une pression trop élevée lors du laminage du noyau peut endommager l'isolation entre les tôles. De même, des bavures trop importantes après le poinçonnage, même si elles sont éliminées par polissage, peuvent gravement endommager l'isolation de la surface de poinçonnage. Après le laminage du noyau, si la rainure n'est pas lisse, un limage peut être nécessaire. Par ailleurs, en raison de facteurs tels qu'un alésage de stator irrégulier ou un défaut de concentricité entre l'alésage du stator et le bord du siège moteur, un tournage peut être utilisé pour corriger ces défauts. L'utilisation conventionnelle de ces procédés de fabrication et de traitement des moteurs a un impact significatif sur leurs performances, notamment sur les pertes fer.

Le démontage des bobinages par des méthodes telles que le brûlage ou le chauffage électrique peut entraîner une surchauffe du noyau de fer, ce qui diminue la conductivité magnétique et endommage l'isolation entre les tôles. Ce problème survient principalement lors de la réparation des bobinages et des moteurs pendant les phases de production et de transformation.

Le soudage par empilement et d'autres procédés peuvent également endommager l'isolation entre les empilements, augmentant ainsi les pertes par courants de Foucault.
Un poids de fer insuffisant et un compactage incomplet entre les tôles entraînent une insuffisance de poids du noyau de fer, ce qui provoque un dépassement des tolérances de courant et, potentiellement, une perte de fer supérieure aux normes.
Le revêtement de la tôle d'acier au silicium est trop épais, ce qui provoque une saturation excessive du circuit magnétique. Il en résulte une forte déviation de la courbe caractéristique courant-tension à vide. Ce phénomène constitue un élément clé du processus de production et de transformation des tôles d'acier au silicium.

Lors de la production et du traitement des noyaux de fer, l'orientation du grain de la tôle d'acier au silicium lors du poinçonnage et du cisaillement de la surface de fixation peut être altérée, entraînant une augmentation des pertes fer sous une même induction magnétique ; pour les moteurs à fréquence variable, les pertes fer supplémentaires dues aux harmoniques doivent également être prises en compte ; il s'agit d'un facteur qui doit être considéré de manière exhaustive dans le processus de conception.

Outre les facteurs mentionnés ci-dessus, la valeur de calcul des pertes fer du moteur doit reposer sur la production et le traitement réels du noyau de fer, et tout doit être mis en œuvre pour garantir la concordance entre la valeur théorique et la valeur réelle. Les courbes caractéristiques fournies par les fournisseurs de matériaux sont généralement obtenues par la méthode de la bobine carrée d'Epstein, mais l'orientation de l'aimantation des différentes parties du moteur étant différente, ces pertes fer spécifiques dues à la rotation ne peuvent être prises en compte actuellement. Ceci peut engendrer des écarts plus ou moins importants entre les valeurs calculées et mesurées.

Méthodes de réduction des pertes de fer dans la conception technique
Il existe de nombreuses façons de réduire la consommation de fer en ingénierie, et le plus important est d'adapter la solution à la situation. Bien sûr, il ne s'agit pas uniquement de la consommation de fer, mais aussi des autres pertes. La méthode la plus fondamentale consiste à identifier les causes des pertes de fer élevées, telles qu'une forte densité magnétique, une haute fréquence ou une saturation locale excessive. En règle générale, il est nécessaire, d'une part, de se rapprocher au plus près de la réalité par la simulation, et d'autre part, d'intégrer au processus des technologies permettant de réduire la consommation de fer supplémentaire. La méthode la plus courante consiste à privilégier l'utilisation de tôles d'acier au silicium de haute qualité, et, quel que soit le coût, on peut opter pour de l'acier au silicium de qualité supérieure importé. Bien entendu, le développement des technologies nationales basées sur les énergies nouvelles a également favorisé une meilleure évolution en amont et en aval. Les aciéries nationales lancent également des produits spécialisés en acier au silicium. Genealogy propose une classification pertinente des produits pour différents scénarios d'application. Voici quelques méthodes simples à mettre en œuvre :

1. Optimiser le circuit magnétique

L'optimisation du circuit magnétique, plus précisément, consiste à optimiser le sinus du champ magnétique. Ceci est crucial, non seulement pour les moteurs à induction à fréquence fixe, mais aussi pour les moteurs à induction à fréquence variable et les moteurs synchrones. Lorsque je travaillais dans l'industrie des machines textiles, j'ai conçu deux moteurs aux performances différentes afin de réduire les coûts. Le facteur déterminant était bien sûr la présence ou l'absence de pôles asymétriques, qui engendraient des caractéristiques sinusoïdales irrégulières du champ magnétique de l'entrefer. Fonctionnant à haute vitesse, les pertes fer représentaient une part importante, ce qui se traduisait par une différence significative de pertes entre les deux moteurs. Finalement, après plusieurs calculs, j'ai constaté que la différence de pertes fer du moteur contrôlé par l'algorithme de commande avait plus que doublé. Ceci souligne l'importance de coupler les algorithmes de commande lors de la conception de moteurs à vitesse variable.

2. Réduire la densité magnétique
Augmenter la longueur du noyau de fer ou augmenter la surface de conductivité magnétique du circuit magnétique permet de réduire la densité de flux magnétique, mais la quantité de fer utilisée dans le moteur augmente en conséquence ;

3. Réduire l'épaisseur des copeaux de fer pour réduire les pertes de courant induit
Le remplacement des tôles d'acier au silicium laminées à chaud par des tôles d'acier au silicium laminées à froid peut réduire l'épaisseur des tôles d'acier au silicium, mais les copeaux de fer minces augmenteront le nombre de copeaux de fer et les coûts de fabrication du moteur ;

4. Adopter des tôles d'acier au silicium laminées à froid avec une bonne conductivité magnétique pour réduire les pertes par hystérésis ;
5. Adoption d'un revêtement isolant en copeaux de fer haute performance ;
6. Technologie de traitement thermique et de fabrication
Les contraintes résiduelles après usinage des copeaux de fer peuvent fortement augmenter les pertes du moteur. Lors de l'usinage des tôles d'acier au silicium, la direction de coupe et les contraintes de cisaillement lors du poinçonnage influent considérablement sur les pertes du noyau de fer. La coupe dans le sens du laminage de la tôle d'acier au silicium et le traitement thermique de cette dernière permettent de réduire les pertes de 10 à 20 %.