La conception de l'auteur représente un nouveau mot dans le développement des moteurs électriquesAu cours de la première décennie du 20e siècle, 38% de toutes les voitures aux États-Unis étaient alimentées par l'électricité - et ce pourcentage est tombé à presque zéro avec la croissance de la domination de l'ICE dans les années 1920. Le désir d'aujourd'hui d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions nocives a insufflé une nouvelle vie aux voitures électriques, mais leur coût élevé et leur kilométrage limité entravent les ventes.
La plupart des tentatives pour résoudre ces problèmes sont liées à l'amélioration des batteries. Bien sûr, l'amélioration des systèmes de stockage d'énergie, qu'il s'agisse de batteries ou de piles à combustible, devrait rester une partie de toute stratégie d'amélioration des véhicules électriques, mais il existe un potentiel d'amélioration dans un autre élément fondamental des voitures: le moteur. Depuis quatre ans, nous travaillons sur un nouveau concept de moteur de traction utilisé dans les véhicules électriques et les camions. Notre dernier développement améliore considérablement l'efficacité par rapport aux modèles conventionnels - suffisamment pour rendre les voitures électriques plus pratiques et abordables.
L'année dernière, nous avons prouvé l'efficacité de notre moteur lors de tests de laboratoire complets, et bien qu'il soit encore loin de le placer dans une voiture, nous avons toutes les raisons de croire qu'il s'y montrera également. Notre moteur pourra augmenter le kilométrage des véhicules électriques modernes, même si nous ne faisons aucun progrès dans la technologie des batteries.
Pour comprendre la complexité de notre tâche, il est nécessaire de rappeler les bases du circuit d'un moteur électrique (EM). Par rapport à ICE, les EM sont plus simples: ils ne comportent que quelques composants critiques. Les mécaniciens ont besoin d'un logement. On l'appelle un stator car il ne bouge pas. Un rotor, un arbre rotatif et la création d'un couple sont nécessaires. Pour que le moteur fonctionne, le stator et le rotor doivent interagir en utilisant le magnétisme, transformant l'énergie électrique en énergie mécanique.
Les concepts moteurs diffèrent précisément dans le domaine des interfaces magnétiques. Dans les moteurs à collecteur à courant continu, le courant passe à travers les balais glissant le long de l'assemblage du collecteur. Le courant circule dans le collecteur et transfère l'énergie à l'enroulement sur le rotor. L'enroulement est repoussé par des aimants permanents ou des électroaimants statoriques. Les balais, glissant le long du collecteur, changent périodiquement la direction du courant, et les aimants du rotor et du stator se repoussent encore et encore, à la suite de quoi le rotor tourne. En d'autres termes, le mouvement de rotation est fourni par un champ magnétique changeant produit par le collecteur reliant les bobines à la source de courant et changeant cycliquement la direction du courant lorsque le rotor tourne. Cependant, cette technologie limite le couple et souffre d'usure; il n'est plus utilisé dans les EM de traction.
Les véhicules électriques modernes utilisent le courant alternatif d'un onduleur. Ici, un champ magnétique tournant dynamique est créé dans le stator, et non dans le rotor. Cela nous permet de simplifier le circuit du rotor, qui est généralement plus complexe que le stator, ce qui facilite toutes les tâches associées au développement de l'EM.
Il existe deux types de moteurs à courant alternatif: asynchrones et synchrones. Nous nous concentrerons sur la synchronisation, car ils fonctionnent généralement mieux et plus efficacement.
Un système de refroidissement avancé conduit le fluide directement à travers la bobine (gauche) et non à travers le couvercle du moteur (droite)Les moteurs synchrones sont également de deux types. Plus populaire est la machine synchrone à aimant permanent (PMSM), qui utilise des aimants permanents intégrés dans le rotor. Pour le faire tourner, un champ magnétique tournant est organisé dans le stator. Ce champ est obtenu grâce à l'enroulement du stator connecté à la source AC. Pendant le fonctionnement, les pôles des aimants permanents du rotor sont capturés par le champ magnétique tournant du stator, qui fait tourner le rotor.
Un tel schéma, utilisé dans les Chevrolet Volt et Bolt, dans la BMW i3, dans la Nissan Leaf et de nombreuses autres voitures, peut atteindre une efficacité maximale de 97% au sommet. Les aimants permanents sont généralement fabriqués à partir de terres rares; des exemples frappants sont les aimants au néodyme très puissants développés en 1982 par General Motors et Sumitomo.
Les moteurs électriques synchrones à pôles synchrones [Machines synchrones à pôles saillants, SPSM)] utilisent des électroaimants plutôt que des constantes à l'intérieur du rotor. Les pôles sont des bobines en forme de tuyaux dirigés vers l'extérieur, comme des rayons de roue. Ces électroaimants dans le rotor sont alimentés par une source de courant continu qui leur est connectée par le biais de bagues collectrices. Les anneaux de contact, contrairement au collecteur, ne changent pas la direction du courant. Les pôles nord et sud du rotor sont statiques et les brosses ne s'usent pas aussi rapidement. Comme avec PMSM, le rotor tourne en raison de la rotation du champ magnétique du stator.
En raison de la nécessité d'alimenter les électro-aimants du rotor par des bagues collectrices, ces moteurs ont généralement des rendements de pointe légèrement inférieurs - dans une plage de 94 à 96%. L'avantage par rapport au PMSM est la personnalisation du champ du rotor, qui permet au rotor de générer plus efficacement un couple à des vitesses élevées. L'efficacité totale lorsqu'elle est utilisée pour accélérer la voiture augmente. Le seul fabricant de tels moteurs dans les voitures de série est Renault avec ses modèles Zoe, Fluence et Kangoo.
Les voitures électriques doivent être construites avec des composants non seulement efficaces, mais aussi légers. Le moyen le plus évident d'améliorer le rapport puissance / poids est de réduire la taille du moteur. Cependant, une telle machine produira moins de couple pour la même vitesse de rotation. Par conséquent, afin d'obtenir plus d'énergie, il est nécessaire de faire tourner le moteur à des vitesses plus élevées. Les voitures électriques d'aujourd'hui fonctionnent à 12 000 tr / min; dans la prochaine génération, il y aura des moteurs fonctionnant à 20 000 tr / min; des travaux sont déjà en cours sur des moteurs fonctionnant à une vitesse de 30 000 tr / min. Le problème est que plus la vitesse est élevée, plus la boîte de vitesses est difficile - la vitesse du moteur est trop élevée par rapport à la vitesse des roues. La complexité de la boîte de vitesses entraîne de grandes pertes d'énergie.
Une tempête idéale: dans la version de l'auteur (ci-dessus), la force de Lorentz et l'inductance polarisée (gris) sont combinées en une force totale maximale (bleue) égale à 2. Dans un moteur conventionnel (ci-dessous), la somme de deux forces - les forces de Lorentz et la résistance magnétique (gris) donnent la force totale ( bleu), atteignant un pic de seulement 1,76, avec un angle de rotation du rotor de 0,94 rad. La différence dans cet exemple est de 14%La deuxième approche pour améliorer le rapport puissance / poids consiste à augmenter la force du champ magnétique, ce qui augmente le couple. C'est le sens d'ajouter un noyau de fer à la bobine - bien que cela augmente le poids, cela améliore également la densité de flux magnétique de deux ordres de grandeur. Par conséquent, presque tous les EM modernes utilisent des noyaux en fer dans le stator et le rotor.
Cependant, il y a un inconvénient. Lorsque l'intensité du champ augmente jusqu'à une certaine limite, le fer perd la possibilité d'augmenter la densité de flux. Cette saturation peut être un peu influencée par l'ajout d'additifs et la modification du processus de fabrication du fer, mais même les matériaux les plus efficaces sont limités à 1,5 V * s / m
2 (volts par seconde par mètre carré, ou Tesla, T). Seuls les matériaux cobalt-fer sous vide très chers et rares peuvent atteindre des densités de flux magnétique de 2 T ou plus.
Et enfin, la troisième façon standard d'augmenter le couple est d'amplifier le champ en amplifiant le courant traversant les bobines. Encore une fois, il y a des limites. Augmentez le courant et la perte de résistance augmentera, l'efficacité diminuera et de la chaleur apparaîtra qui peut endommager le moteur. Pour les fils, vous pouvez utiliser du métal qui conduit un meilleur courant que le cuivre. Des fils d'argent existent également, mais leur utilisation dans un tel appareil serait absurdement coûteuse.
Le seul moyen pratique d'augmenter le courant est de contrôler la chaleur. Les solutions de refroidissement avancées conduisent le fluide juste à côté des bobines, et non plus loin, à l'extérieur du stator.
Toutes ces étapes contribuent à améliorer le rapport poids / puissance. Dans les voitures de course électriques, où le coût n'a pas d'importance, les moteurs peuvent atteindre 0,15 kg par kilowatt, ce qui est comparable au meilleur ICE de Formule 1.
Les étudiants
et moi avons développé et créé de tels moteurs électriques haute performance pour la voiture qui a
participé à la Formule étudiante il y a trois ans. Nous avons créé des moteurs dans
notre laboratoire de l'Institut électrotechnique de l'Institut de technologie de Karlsruhe. Chaque année, l'équipe a créé une nouvelle machine avec un moteur, une boîte de vitesses et une électronique de puissance améliorés. La voiture a quatre moteurs, un par roue. Chacun n'a que 8 cm de diamètre, 12 cm de longueur et 4,1 kg de poids, et produit 30 kW en continu et 50 kW à son apogée. En 2016, notre équipe a
remporté le championnat du monde .
Donc, cela peut vraiment être fait si le coût ne vous dérange pas. La principale question est de savoir s'il est possible d'utiliser de telles technologies améliorant l'efficacité dans la production de masse, dans une machine que vous pourriez acheter? Nous avons créé un tel moteur, donc la réponse à la question est oui.
Nous avons commencé avec une idée simple. Les moteurs électriques fonctionnent bien à la fois dans le rôle des moteurs et dans celui des générateurs, bien qu'une telle symétrie ne soit pas particulièrement nécessaire pour les véhicules électriques. Une voiture a besoin d'un moteur qui fonctionne mieux comme moteur que comme générateur - ce dernier n'est utilisé que pour charger les batteries pendant le freinage à récupération.
Pour comprendre cette idée, considérez le fonctionnement du moteur PMSM. Dans un tel moteur, deux forces créent un mouvement. Tout d'abord, la force résultant des aimants permanents dans le rotor. Lorsque le courant circule à travers les bobines de cuivre du stator, ils créent un champ magnétique. Au fil du temps, le courant passe d'une bobine à l'autre et fait tourner le champ magnétique. Le champ tournant du stator attire les aimants permanents du rotor, et le rotor commence à se déplacer. Ce principe est basé sur la force de Lorentz, qui affecte le mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique.
Mais les EM modernes reçoivent une partie de l'énergie de la résistance magnétique - la force qui attire un bloc de fer vers un aimant. Le champ tournant du stator attire à la fois les aimants permanents et le fer du rotor. La force de Lorentz et la résistance magnétique fonctionnent côte à côte et - selon le circuit du moteur - sont approximativement égales l'une à l'autre. Les deux forces sont approximativement égales à zéro lorsque les champs magnétiques du rotor et du stator sont alignés. Avec une augmentation de l'angle entre eux, le moteur génère de l'énergie mécanique.
Dans un moteur synchrone, les champs stator et rotor fonctionnent ensemble, sans les retards qui existent dans les machines asynchrones. Le champ du stator est à un certain angle par rapport au champ du rotor, qui peut être ajusté pendant le fonctionnement pour atteindre une efficacité maximale. L'angle optimal pour créer un couple à un courant donné peut être calculé à l'avance. Il s'adapte ensuite, à mesure que le courant change, au système électronique de puissance qui fournit un courant alternatif à l'enroulement du stator.
Mais voici le problème: lorsque le champ du stator se déplace par rapport à la position du rotor, la force de Lorentz et la résistance magnétique augmentent ou diminuent. La force de Lorentz augmente dans une sinusoïde, atteignant un pic à 90 degrés à partir du point de référence (à partir du point où les champs du stator et du rotor sont alignés). La force de la résistance maniaque change cycliquement deux fois plus vite, par conséquent, atteint un pic à 45 degrés.
Étant donné que les forces culminent à différents points, la puissance maximale du moteur est inférieure à la somme de ses parties. Supposons que, pour un certain moteur à un certain moment de travail, il s'avère que l'angle optimal pour la force totale maximale sera de 54 degrés. Dans ce cas, ce pic sera de 14% inférieur au total des pics des deux forces. Il s'agit du meilleur compromis possible de ce schéma.
Si nous pouvions refaire ce moteur pour que les deux forces atteignent un maximum à un moment donné du cycle, la puissance du moteur augmenterait de 14% gratuitement. Vous perdriez seulement l'efficacité opérationnelle en tant que générateur. Mais nous, comme cela sera montré ci-dessous, avons trouvé un moyen de restaurer cette capacité, afin que le moteur restitue mieux l'énergie lors du freinage.
Le développement d'un champ moteur parfaitement nivelant n'est pas une tâche facile. Le problème est la combinaison de PMSM et SPSM dans le nouveau schéma hybride. Le résultat est un moteur synchrone hybride avec un axe de résistance magnétique décalé. En fait, ce moteur utilise à la fois des fils et des aimants permanents pour créer un champ magnétique dans le rotor.
D'autres ont essayé de travailler dans cette direction, puis ont rejeté cette idée - mais ils voulaient utiliser des aimants permanents uniquement pour amplifier le champ électromagnétique. Notre innovation consiste à utiliser des aimants uniquement pour donner au champ une forme précise afin d'aligner de manière optimale les deux forces - la force de Lorentz et la force de la résistance magnétique.
Le principal problème dans le développement était de trouver une conception de rotor qui pourrait changer la forme du champ, tout en restant suffisamment solide pour tourner à des vitesses élevées sans se casser. Au centre de notre circuit se trouve une structure de rotor multicouche qui porte un enroulement de cuivre sur un noyau de fer. Nous avons collé des aimants permanents aux pôles du noyau; des pointes supplémentaires les empêchent de s'envoler. Pour garder tout en place, nous avons utilisé des broches en titane solides et légères, passées à travers les pôles électromagnétiques du rotor, tirées par des écrous vers les anneaux en acier inoxydable.
Nous avons également trouvé un moyen de contourner l'inconvénient du moteur d'origine, en réduisant le couple pendant le fonctionnement du générateur. Nous pouvons maintenant changer la direction du champ dans le rotor afin que la génération pendant le freinage régénératif fonctionne aussi efficacement que le mode moteur.
Nous y sommes parvenus en changeant la direction du courant dans l'enroulement du rotor pendant le fonctionnement en mode générateur. Cela fonctionne comme suit. Imaginez l'apparence originale du rotor. Si vous marchez le long de son périmètre, vous trouverez une certaine séquence de pôles nord et sud de sources électromagnétiques (E) et magnétiques permanentes (P): NE, NP, SE, SP. Cette séquence est répétée autant de fois qu'il y a de paires de pôles dans le moteur. En changeant la direction du courant dans l'enroulement, nous changeons l'orientation des pôles électromagnétiques, et seulement eux, en conséquence, la séquence se transforme en SE, NP, NE, SP.
Après avoir étudié ces deux séquences, vous verrez que la seconde est similaire à la première, en reculant. Cela signifie que le rotor peut être utilisé en mode moteur (première séquence) ou en mode générateur (deuxième), lorsque le courant dans le rotor change de direction. Ainsi, notre machine fonctionne plus efficacement que les moteurs conventionnels, à la fois comme moteur et comme générateur. Sur notre prototype, changer la direction du courant ne prend pas plus de 70 ms, ce qui est assez rapide pour les voitures.
L'année dernière, nous avons construit un prototype de moteur sur un établi et l'avons soumis à des tests rigoureux. Les résultats sont clairs: avec la même électronique de puissance, les mêmes paramètres de stator et les autres limitations d'un moteur conventionnel, la machine est capable de fournir près de 6% de couple en plus et 2% d'efficacité en plus en pointe. Dans le cycle de conduite, les résultats sont encore meilleurs: il nécessite 4,4% d'énergie en moins. Cela signifie qu'une voiture voyageant sur une seule charge de 100 km aurait parcouru 104,4 km avec ce moteur. Les kilomètres supplémentaires que nous obtenons presque pour rien, car dans notre système, il n'y a que quelques pièces supplémentaires, sensiblement moins chères que les batteries supplémentaires.
Nous avons contacté plusieurs fabricants d'équipements et ils ont trouvé notre concept intéressant, même s'il faudra encore longtemps avant de voir l'un de ces moteurs asymétriques dans une voiture de série. Mais apparaissant, en conséquence, cela deviendra une nouvelle norme, car l'extraction de tous les avantages possibles de l'énergie que vous avez est une priorité pour les constructeurs automobiles et pour toute notre société.