Par rapport aux moteurs à flux radial, les moteurs à flux axial présentent de nombreux avantages dans la conception des véhicules électriques. Par exemple, les moteurs à flux axial peuvent 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 axialfont l’objet d’une attention croissante (gagnent du terrain). Depuis de nombreuses années, ce type de moteur est utilisé dans des applications stationnaires telles que les ascenseurs et les machines agricoles, mais au cours de la dernière décennie, de nombreux développeurs ont travaillé pour améliorer cette technologie et l'appliquer aux motos électriques, aux nacelles d'aéroport, aux camions cargo, aux véhicules électriques. des véhicules et même des avions.
Les moteurs à flux radial traditionnels utilisent des moteurs à aimants permanents ou à induction, qui ont fait des progrès significatifs en matière d'optimisation du poids et du coût. Cependant, ils rencontrent de nombreuses difficultés pour continuer à se développer. Le flux axial, un type de moteur complètement différent, peut être une bonne alternative.
Par rapport aux moteurs radiaux, la surface magnétique effective des moteurs à aimants permanents à flux axial correspond à la surface du rotor du moteur et non au 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; Par rapport aux moteurs radiaux, la longueur axiale du moteur est beaucoup plus courte. Pour les moteurs à roue intérieure, c'est souvent un facteur crucial. La structure compacte des moteurs axiaux garantit une densité de puissance et une densité de couple plus élevées que celles 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 %. Cela est dû au chemin de flux unidimensionnel plus court, dont l'efficacité est comparable, voire supérieure, à celle 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: stator simple à double rotor (parfois appelé machines de style tore) et stator double à rotor unique.
Actuellement, la plupart des moteurs à aimants permanents utilisent une topologie de flux radial. Le circuit de flux magnétique commence par un aimant permanent sur le rotor, traverse la première dent du stator, puis s'écoule radialement le long du stator. Passez ensuite par la deuxième dent pour atteindre le deuxième acier magnétique sur le rotor. Dans une topologie de flux axial à double rotor, la boucle de flux part du premier aimant, passe axialement à travers les dents du stator et atteint immédiatement le deuxième 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 un rendement plus élevés pour la même puissance.
Un moteur radial, où le flux magnétique traverse la première dent puis retourne à la dent suivante à travers le stator, atteignant l'aimant. Le flux magnétique suit un chemin bidimensionnel.
Le chemin du flux magnétique d'une machine à flux magnétique axial est unidimensionnel, de sorte qu'un acier électrique à grains orientés peut être utilisé. Cet acier facilite le passage du flux, améliorant ainsi l'efficacité.
Les moteurs à flux radial utilisent traditionnellement des enroulements distribués, avec jusqu'à la moitié des extrémités des enroulements qui ne fonctionnent pas. Le porte-à-faux de la bobine entraînera un poids, un coût, une résistance électrique et une perte de chaleur supplémentaires, obligeant les concepteurs à améliorer la conception du bobinage.
La bobine se termine parmoteurs à flux axialsont bien moindres, et certaines conceptions utilisent des enroulements concentrés ou segmentés, qui sont tout à fait efficaces. Pour les machines radiales à stator segmenté, la rupture du trajet 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 la clé pour distinguer le niveau des fournisseurs.
3. Développement
Les moteurs à flux axial sont confrontés à de sérieux défis en matière de conception et de production. Malgré leurs avantages technologiques, leurs coûts sont bien plus élevés que ceux des moteurs radiaux. Les gens ont une compréhension très approfondie des moteurs radiaux, et les méthodes de fabrication et les équipements mécaniques sont également facilement disponibles.
L’un des principaux défis des moteurs à flux axial est de maintenir un entrefer uniforme entre le rotor et le stator, car la force magnétique est bien supérieure à celle des moteurs radiaux, ce qui rend difficile le maintien d’un entrefer uniforme. Le moteur à flux axial à double rotor présente également des problèmes de dissipation thermique, car l'enroulement est situé profondément dans le stator et entre les deux disques du rotor, ce qui rend la dissipation thermique très difficile.
Les moteurs à flux axial sont également difficiles à fabriquer pour de nombreuses raisons. La machine à double rotor utilisant une machine à double rotor avec une topologie à culasses (c'est-à-dire en retirant la culasse en fer du stator mais en conservant les dents en fer) surmonte certains de ces problèmes sans augmenter le diamètre du moteur et l'aimant.
Cependant, le retrait de l'arcade pose de nouveaux défis, tels que la manière de fixer et de positionner les dents individuelles sans connexion mécanique par arcade. Le refroidissement constitue également un défi plus important.
Il est également difficile de réaliser le rotor et de maintenir l'entrefer, car le disque du rotor attire le rotor. L'avantage est que les disques du rotor sont directement reliés par une bague d'arbre, de sorte que les forces s'annulent. Cela signifie que le roulement interne ne résiste pas à ces forces, et sa seule fonction est de maintenir le stator en position médiane entre les deux disques du rotor.
Les moteurs à double stator et à rotor unique ne sont pas confrontés aux défis des moteurs circulaires, mais la conception du stator est beaucoup plus complexe et difficile à automatiser, et les coûts associés sont également élevés. Contrairement à tout moteur à flux radial traditionnel, les processus de fabrication des moteurs axiaux et les équipements mécaniques n’ont vu le jour que récemment.
4. Application des véhicules électriques
La fiabilité est cruciale dans l'industrie automobile et prouver la fiabilité et la robustesse des différentsmoteurs à flux axialConvaincre les constructeurs que ces moteurs sont adaptés à une production de masse a toujours été un défi. Cela a incité les fournisseurs de moteurs axiaux à mener eux-mêmes des programmes de validation approfondis, chaque fournisseur démontrant que la fiabilité de leur moteur n'est pas différente de celle des moteurs à flux radial traditionnels.
Le seul composant qui peut s'user dans unmoteur à flux axialce sont les roulements. 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 a une masse de rotor plus petite et peut supporter des charges dynamiques sur l'arbre du 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. La largeur plus fine peut encapsuler le moteur et la boîte de vitesses dans l'essieu. Dans les applications hybrides, la longueur axiale plus courte du moteur raccourcit à son tour la longueur totale du système de transmission.
L'étape suivante consiste à installer le moteur axial sur la roue. De cette manière, la puissance peut être directement transmise du moteur aux roues, améliorant ainsi l’efficacité du moteur. Grâce à l'élimination des transmissions, des différentiels et des arbres de transmission, la complexité du système a également été réduite.
Cependant, il semble que les configurations standards ne soient pas encore apparues. Chaque équipementier d'origine recherche des configurations spécifiques, car les différentes tailles et formes des moteurs axiaux peuvent modifier la conception des véhicules électriques. Par rapport aux moteurs radiaux, les moteurs axiaux ont une densité de puissance plus élevée, ce qui signifie que des moteurs axiaux plus petits peuvent être utilisés. Cela offre de nouvelles options de conception pour les plates-formes de véhicules, telles que l'emplacement des blocs-batteries.
4.1 Armature segmentée
La topologie de moteur YASA (Yokeless and Segmented Armature) est un exemple de topologie à double rotor et à stator unique, qui réduit la complexité de fabrication et convient à la production de masse automatisée. Ces moteurs ont une densité de puissance allant jusqu'à 10 kW/kg à des vitesses de 2 000 à 9 000 tr/min.
Grâce à un contrôleur dédié, il peut fournir un courant de 200 kVA au moteur. Le contrôleur a un volume d'environ 5 litres et pèse 5,8 kilogrammes, y compris la gestion thermique avec refroidissement par huile diélectrique, adapté aux moteurs à flux axial ainsi qu'aux moteurs à induction et à flux radial.
Cela permet aux fabricants d'équipement d'origine de véhicules électriques et aux développeurs de premier rang de choisir de manière flexible le moteur approprié en fonction de l'application et de l'espace disponible. La taille et le poids réduits rendent le véhicule plus léger et disposent de plus de batteries, augmentant ainsi l'autonomie.
5. Application des motos électriques
Pour les motos et VTT électriques, certaines entreprises ont développé des moteurs à flux axial AC. La conception couramment utilisée pour ce type de véhicule est la conception à flux axial à base de balais CC, tandis que le nouveau produit est une conception sans balais à courant alternatif et entièrement scellée.
Les bobines des moteurs à courant continu et à courant alternatif restent stationnaires, mais les doubles rotors 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 contribue à réduire les coûts, car le contrôleur contrôle le courant de couple et non la vitesse. Le contrôleur nécessite une fréquence de 12 kHz ou plus, qui est la fréquence principale de ces appareils.
La fréquence la plus élevée provient de l'inductance inférieure de l'enroulement de 20 µH. La fréquence peut contrôler le courant pour minimiser l'ondulation du courant et garantir un signal sinusoïdal aussi fluide que possible. D'un point de vue dynamique, il s'agit d'un excellent moyen d'obtenir un contrôle moteur plus fluide en permettant des changements de couple rapides.
Cette conception adopte un enroulement distribué à double couche, de sorte que le flux magnétique circule du rotor à un autre rotor à travers le stator, avec un trajet très court et une efficacité plus élevée.
La clé de cette conception est qu’elle peut fonctionner à une tension maximale de 60 V et ne convient pas aux systèmes à tension plus élevée. Il peut donc être utilisé pour les motos électriques et les véhicules à quatre roues de classe L7e comme Renault Twizy.
La tension maximale de 60 V permet au moteur d'être intégré dans les systèmes électriques courants de 48 V et simplifie les travaux de maintenance.
Les spécifications des motos à quatre roues L7e du règlement-cadre européen 2002/24/CE stipulent que le poids des véhicules utilisés pour le transport de marchandises ne dépasse pas 600 kilogrammes, hors poids des batteries. Ces véhicules ne sont pas autorisés à transporter plus de 200 kilogrammes de passagers, pas plus de 1 000 kilogrammes de marchandises et pas plus de 15 kilowatts de puissance moteur. La méthode d'enroulement distribué peut 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 manière dont les enroulements en cuivre dissipent la chaleur, ce qui est difficile car la chaleur doit traverser le rotor. L'enroulement distribué est la clé pour résoudre ce problème, car il comporte un grand nombre d'emplacements polaires. De cette façon, il y a une plus grande surface entre le cuivre et la coque, et la chaleur peut être transférée vers l'extérieur et évacuée par un système de refroidissement liquide standard.
Plusieurs pôles magnétiques sont essentiels à l’utilisation de formes d’ondes sinusoïdales, qui contribuent à réduire les harmoniques. Ces harmoniques se manifestent par un échauffement des aimants et du noyau, alors que les composants en cuivre ne peuvent pas évacuer la chaleur. Lorsque la chaleur s'accumule dans les aimants et les noyaux de fer, l'efficacité diminue, c'est pourquoi l'optimisation de la forme d'onde et du trajet thermique est cruciale pour les performances du moteur.
La conception du moteur a été optimisée pour réduire les coûts et réaliser une production de masse automatisée. Un anneau de boîtier extrudé ne nécessite pas de traitement mécanique complexe et peut réduire les coûts des matériaux. La bobine peut être directement enroulée et un processus de liaison est utilisé pendant le processus d'enroulement pour maintenir la forme correcte de l'assemblage.
Le point clé est que la bobine est constituée de fil standard disponible dans le commerce, tandis que le noyau de fer est laminé avec de l'acier de transformateur standard déposé sur étagère, qui doit simplement être découpé en forme. D'autres conceptions de moteurs nécessitent l'utilisation de matériaux magnétiques doux dans la stratification du noyau, ce qui peut être plus coûteux.
L'utilisation de bobinages distribués signifie que l'acier magnétique n'a pas besoin d'être segmenté ; Ils peuvent avoir des formes plus simples et plus faciles à fabriquer. Réduire la taille de l’acier magnétique et garantir sa facilité de fabrication a un impact significatif sur la réduction des coûts.
La conception de ce moteur à flux axial peut également être personnalisée selon les exigences du client. Les clients disposent de versions personnalisées développées autour de la conception de base. Ensuite fabriqué sur une ligne de production d'essai pour une vérification précoce de la production, qui peut être reproduite 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.
Heure de publication : 28 septembre 2023
