Conception de moteurs électriques sans terres rares pour un avenir durable

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Qu’est-ce que la terre rare ?

Les terres rares sont issues du tableau périodique. Elles constituent un groupe de 17 éléments métalliques, dont les 15 lanthanides, le scandium et l’yttrium. Malgré leur nom, ces éléments ne sont pas vraiment rares mais on les trouve rarement dans des gisements concentrés et économiquement viables.

Bien qu’elles soient appelées « éléments de terres rares », ces matières ne sont pas réellement rares dans la croûte terrestre. Qu’est-ce que les rend « rares » est la difficulté de de les extraire, de les séparer et de les raffiner pour les rendre utilisables. Le processus d’extraction est complexe, gourmand en énergie et exigeant sur le plan environnemental. Au cours des dernières décennies, la Chine a maîtrisé et développé cette capacité de raffinage, ce qui lui a permis de dominer plus de 70 % de la production mondiale de terres rares et la quasi-totalité de la capacité de traitement. Cette domination a permis à la Chine d’exercer une influence significative sur la stabilité des prix et de l’offre, créant ainsi une position stratégique de premier plan dans le secteur des terres rares. monopole qui a des répercussions sur des secteurs allant des véhicules électriques aux éoliennes en passant par l’électronique grand public dans le monde entier.

source : U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, janvier 2024.

Pourquoi les terres rares sont-elles importantes ?

La plupart des moteurs électriques modernes qui visent un rendement et une densité de puissance élevés s’appuient sur des aimants en terres rares en raison de leur force magnétique exceptionnelle. Cependant, les récents tensions géopolitiques et changements de politique entre les nations ont révélé une vulnérabilité critique : de hautes performances ne signifient pas grand-chose si l’on n’a pas les moyens de les atteindre. la chaîne d’approvisionnement s’effondre. La dépendance à l’égard des matériaux à base de terres rares risque non seulement d’entraîner des retards de production, mais aussi de faire grimper les coûts, car les fabricants se démènent pour redéfinir les chaînes d’approvisionnement ou trouver d’autres aimants capables d’offrir des performances comparables.

source : U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, janvier 2024 / Eggert, R., Wadia, C., Anderson, C., Bauer, D., Fields, F., Meinert, L., &amp ; Taylor, P. (2016). Terres rares : perturbation du marché, innovation et chaînes d’approvisionnement mondiales. Revue annuelle de l’environnement et des ressources, 41(1), 199-222.

Les prix de deux matériaux critiques à base de terres rares – Néodyme et Dysprosium – sont devenues de plus en plus volatiles en raison de l’importance des émissions de gaz à effet de serre. chaîne d’approvisionnement fortement monopolisée. Au vu des développements récents, il est clair que cette instabilité fait qu’il est difficile pour les fabricants de prévoir la marge bénéficiaire de chaque moteur électrique produit. Une telle incertitude peut avoir de graves conséquences financières, en particulier pour les entreprises qui produisent des moteurs en grandes quantités chaque mois.

Quelle est donc la solution ?

Il est clair que nous devons soit utiliser des aimants sans terres rares, soit supprimer complètement les aimants de nos moteurs. Dans cette section, nous étudierons comment concevoir des moteurs électriques alternatifs qui ne dépendent pas des matériaux à base de terres rares.

Avant d’explorer ces conceptions, il est important de comprendre les principes fondamentaux des moteurs électriques, car pour relever ce défi, il faut d’abord comprendre d’où vient réellement le couple. Dans un moteur électrique synchrone, il existe deux sources principales de couple : le couple mutuel (aimant) et couple de réluctance.

1. Couple mutuel

Au cœur de chaque moteur électrique se trouve le champ électromagnétique tournant généré dans le stator. Le noyau en acier laminé du stator et les enroulements organisés en cuivre sont alimentés par une source de tension ou de courant, ce qui produit ce champ.

Si la fourniture est DCcomme le montre l’image de gauche, un champ électromagnétique stationnaire à 4 pôles est créé avec cette configuration. À travers l’interaction du dipôle magnétiqueles aimants permanents du rotor peuvent s’aligner ou se « verrouiller » sur ce champ – mais il n’y a pas de rotation continue, puisque le champ et les aimants restent tous deux dans des positions fixes.

Lorsque l’alimentation passe de DC à AC (que ce soit à partir du réseau ou d’un onduleur triphasé), le champ électromagnétique commence à s’estomper. tourner. En plaçant sur le rotor des aimants ayant le même nombre de pôles que le stator (par exemple, quatre pôles comme le montre l’animation), le champ magnétique sur le rotor peut synchroniser avec le champ tournant du stator – et cette interaction produit des couple.

Dans la technologie actuelle des moteurs électriques, Aimants en néodyme-fer-bore (NdFeB)qui contiennent des éléments de terres rares, sont couramment utilisés pour obtenir un couple et une densité de puissance élevés.

Prenons un modèle de référence pour évaluer les performances de ces aimants dans un moteur électrique. A PMSM quadripolaire de 1,2 kW a été conçu pour cette étude. Avec ces aimants, l’interaction magnétique génère environ 11,18 Nm de couple à 3000 tr/min pour le moteur conçu.

Nous voulons nous débarrasser des aimants en terres rares. Plusieurs types d’aimants alternatifs ne contiennent pas de terres rares, tels que la ferrite, aluminium nickel cobalt (AlNiCo)et aimants composites sans samarium. Ces options sont plus abordables et plus faciles à se procurer, mais leur force magnétique est nettement plus faible que celle des aimants au samarium. néodyme ou à base de dysprosium à base de dysprosium. Par conséquent, ils ne peuvent pas, à eux seuls, générer la même quantité d’énergie que les aimants à base de dysprosium. densité de flux magnétique ou niveaux de couple dans un moteur électrique.

Pourquoi les aimants sans terres rares n’offrent-ils pas les mêmes performances ?

Lorsque l’on examine l’équation du couple d’un moteur électrique, deux facteurs clés ressortent : le couple de l’aimant et le couple de l’aimant. la liaison de flux produit par les aimants du rotor et le courant dans les enroulements du stator. Lorsqu’ils sont multipliés par le nombre de pôles et d’autres constantes, ils déterminent le couple. Pour un courant et une conception de moteur fixes, seule la liaison de flux de l’aimant influence directement la composante de couple.

La liaison de flux représente le flux magnétique total qui passe par les enroulements du stator et est directement proportionnelle au force magnétique du matériau du rotor, souvent décrit par son rémanence. Une valeur de rémanence plus élevée signifie un champ magnétique plus fort et, par conséquent, une liaison de flux plus importante, ce qui entraîne une production de couple plus élevée.

L’une des qualités d’aimant de terre rare les plus courantes, NdFeB N30, a une rémanence d’environ 1,125 T à un champ magnétique nul. La liaison de flux qui en résulte dépend de la taille et de la position de l’aimant.

Considérons maintenant une installation identique utilisant un aimant aimant en ferrite sans terre rare, tels que Y33Hqui dispose d’une rémanence de 0,43 T. En théorie, cela signifie que le couple de sortie serait d’environ 2,6 fois plus faible pour l’aimant en ferrite. Toutefois, cette différence peut être plus faible dans la pratique en raison des facteurs suivants des effets de démagnétisation du champ magnétique du stator. Les aimants en ferrite sont généralement plus sensibles à la démagnétisation que les aimants en NdFeB, de sorte que le rapport de couple réel devrait être de inférieur à 2,6.

Lorsque nous simulons le même moteur avec des aimants Y33H, nous observons que la version ferrite produit un couple moyen de 5,68 Nmce qui correspond à environ de la moitié de celui de la version NdFeB.

Cette analyse montre donc que le simple remplacement des aimants NdFeB par des aimants en ferrite ne résout pas le problème de performance. C’est pourquoi nous devons utiliser la technologie deuxième composante du couple :

Couple de réluctance

La plupart des gens ont rencontré ce phénomène au moins une fois : lorsque vous suspendez une petite aiguille de fer et que vous déplacez un aimant autour d’elle, l’aiguille a tendance à s’aligner sur l’aimant. Ce phénomène s’explique par le fait que l’aiguille cherche naturellement la direction de l’aimant. chemin de la moindre réluctance magnétique entre le noyau de fer et le champ magnétique et crée une force sur l’aiguille. Cet effet est connu sous le nom de couple de réluctanceet sa magnitude dépend de l’intensité du couple de réluctance. différence de réluctance magnétique entre les direct (d) et quadrature (q) d’une structure. Pour un moteur électrique :

Ici, deux aiguilles de fer adjacentes suivent le champ électromagnétique tournant dans le stator, ce qui donne approximativement 3 Nm de couple de réluctance. Cependant, comme le montre la simulation, ce couple est relativement faible. faible et bruyant en raison de la forme actuelle du rotor. Pour atteindre l’objectif de un couple plus élevé et réduire le bruitla géométrie du rotor doit être repensée pour créer une trajectoire magnétique plus optimisée.

Pour réduire l’ondulation du couple et augmenter la puissance du couple du même moteur, barrières de flux-également connues sous le nom de poches d’air-sont introduites à l’intérieur du rotor.

Ces poches d’air créent une différence de réluctance magnétique entre le axe d et axe q. En théorie, le fait d’avoir plus ou plus grand les poches d’air augmentent le couple de réluctance, car plus la différence de réluctance magnétique entre les deux axes est importante, plus la contribution au couple est élevée. Mais un plus grand nombre de barrières de flux peut entraîner des tolérances de fabrication étroites entre les barrières et le bord extérieur du rotor.

Avec cette nouvelle conception du rotorle moteur fonctionne avec un bruit de couple plus faible et fournit environ 20 % de couple en plus.

La question suivante est la suivante : pourquoi ne pas combiner les deux composantes du couple pour obtenir des performances encore plus élevées ? En plaçant aimants rectangulaires en ferrite à l’intérieur des barrières de flux, nous pouvons former ce que l’on appelle une barrière de flux. Moteur synchrone à réluctance assisté par ferrite (Fas-SynRM)-une conception qui fusionne les forces de la réluctance et du couple magnétique.

Avec cette configuration, le FaSynRM produit un couple moyen de 7,8 Nm. Cependant, il y a encore une 3,38 Nm par rapport à la conception NdFe. Cet écart représente le principal goulot d’étranglement pour l’industrie, car ces aimants ne peuvent toujours pas atteindre les mêmes performances que les conceptions NdFe.

À ce stade, l’optimisation devient essentielle. En utilisant Ansys optiSLangnous pouvons affiner la géométrie du rotor pour atteindre 11,18 Nm de couple sans changer le stator. En pratique, les utilisateurs peuvent simplement remplacer leur Rotors NdFe avec des rotors optimisés sans terres rares, tout en conservant des performances identiques.

Comment les Ansys optimiser les moteurs sans terres rares pour obtenir les mêmes performances que les aimants NdFe ?

Ces moteurs doivent être soigneusement optimisés pour atteindre leur potentiel de performance maximal. Chaque aspect de la géométrie du moteur, de la taille de l’aimant aux moindres variations d’épaisseur du rotor, doit être sélectionné avec précision. En réglant ces détails avec précision, on obtient à la fois la performance du moteur et celle de la machine. couple de réluctance et le couple d’aimants peuvent être utilisés à leur maximum, ce qui permet au moteur de fournir le rendement et la puissance les plus élevés possibles sans dépendre des matériaux à base de terres rares.

Jusqu’à présent, les résultats et les simulations ont été effectués en Ansys Maxwellun outil de simulation électromagnétique polyvalent et de haute fidélité. Cependant, Ansys propose également un outil plus spécialisé pour l’analyse des moteurs électriques, appelé Motor-CAD. Motor-CAD fournit des solveurs FEA basés sur des modèles adaptés aux différents types de moteurs électriques. Lorsqu’ils sont associés à des solveurs d’analyse par éléments finis basés sur des modèles, les optiSLangGrâce à ses interfaces d’optimisation conviviales, il devient une solution idéale pour l’optimisation des systèmes d’information de l’entreprise. Fas-SynRM pour atteindre un couple cible de 11,18 Nm.

OptiSLang réalise itérations multiples au sein de Motor-CAD, collecte les résultats et construit un modèle d’essai. flux de travail d’optimisation using ses algorithmes internes. Sur la base de ces ensembles de données, l’outil génère un conception optimisée d’un moteur électrique qui répond à l’objectif de performance spécifié – dans ce cas, 11,18 Nm à 3 000 tr/min.

source : Ansys

Après avoir optimisé le FaSynRM conception en optiSLang à travers plus de 500 simulations FEA et 10 000 itérations analytiquesle moteur a été affiné pour fournir au moins 11,18 Nm de couple à 3000 tr/min.

Le même processus d’optimisation peut également être appliqué aux maximiser l’efficacité ou réduire l’ondulation du couple. Dans cette étude, seul le couple à 3000 tr/min a été optimisé pour atteindre le même niveau de puissance que le Conception NdFe.

Que se passe-t-il si les aimants sont entièrement supprimés ?

Pour les types de moteurs sans aimant, les options permettant d’obtenir la même densité de couple que les moteurs NdFeB sont limitées. Les deux principaux candidats sont Moteurs synchrones à excitation électrique (EESM) et Moteurs à induction (IM). Dans ce blog, nous nous concentrerons sur les EESM pour souligner la croissance potentielle de ce type de moteur.

Les moteurs à induction, bien que relativement peu coûteux et bénéficiant d’une longue tradition de fabrication, ne peuvent pas remplacer directement le rotor d’un modèle NdFe sans modifier les caractéristiques du moteur. diamètre extérieur ou longueur axiale du moteur. Cette limitation est due au fait qu’un moteur à induction s’appuie sur la longueur axiale du moteur. force de Lorentz pour générer un couple, et ce couple n’est généralement pas suffisant pour obtenir le même résultat. couple et densité de puissance que les moteurs synchrones. (N. Hashemnia et B. Asaei, « Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles, » 2008 18e conférence internationale sur les machines électriques, Vilamoura, Portugal, 2008, pp. 1-5, doi : 10.1109/ICELMACH.2008.4800157.)

Le fonctionnement du MEES est similaire à celui du PMSM. La principale différence est que dans le MSE, une source d’excitation externe, qui crée un couple d’alignement avec le champ magnétique rotatif du stator, génère le champ magnétique dans le rotor. Pour cette comparaison, les dimensions du stator sont maintenues constantes afin d’atteindre l’objectif d’un remplacement direct du rotor entre les types de moteurs.

Dans une MSE, le champ électromagnétique est généré à l’aide d’un paire de brosses et de bagues collectrices montés sur l’arbre, qui alimentent en courant le bobines d’enroulement autour des pôles du rotor. La topologie du rotor d’un EESM est très différente de celle d’un PMSM, car elle doit inclure les éléments suivants des encoches pour accueillir le bobines enroulées. Les deux facteurs de conception les plus importants sont les suivants le nombre de tours qui peut s’insérer dans les fentes du rotor tout en respectant les tolérances de fabrication, et le courant maximal qui peut être fourni à ces bobines sans surchauffer ou endommager le moteur.

En utilisant Logiciel de CAO moteurCe type de moteur peut être facilement conçu et préparé pour des installations expérimentales. L’outil comprend des fonctions uniques qui aident les utilisateurs à créer conceptions de bobines de rotor plus rapidement et plus efficacement.

En outre, grâce à son solveur FEA intégréchaque enroulement du stator et du rotor peut être simulé à l’aide de différentes méthodes de simulation. méthodes de refroidissement comme le ventilateur à air, la chemise d’eau ou le refroidissement à l’huile. Cela permet d’évaluer et d’affiner la conception pour la rendre compétitive par rapport aux autres méthodes de refroidissement. PMSM NdFe systèmes.

La principale différence entre un EESM et un PMSM est la présence de brosses et anneaux dans le MES. Ces composants transfèrent le courant continu aux enroulements du rotor par contact physique entre les balais et les anneaux. Deux anneaux – un positif et un négatif – sont montés sur l’arbre, tandis que deux balais (et dans certains cas plus, pour améliorer la fiabilité) entrent en contact avec eux. Bien que les brosses soient conçues pour minimiser les frottements et maintenir un contact régulier, et que des matériaux tels que le carbone soient utilisés pour accroître la durabilité, ces pièces nécessitent toujours un entretien périodique. En général, l’entretien est nécessaire tous les dix ans, ou jusqu’à vingt ans avec des brosses de composition plus récente, mais elles restent des composants qui s’usent avec le temps.

source : MunirAcademy

Pour surmonter cette limitation, les nouvelles technologies permettent aujourd’hui l’excitation CC sans balais des enroulements du rotor (H. Chen, J. Tang, Y. Liu, B. Jiang et L. Boscaglia, « Electromagnetic Performance Investigation of a Brushless Electrically Excited Synchronous Machine for Long-Distance Heavy-Duty Electric Vehicles, » in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 11, no. 1, p. 225-235, février 2025). Cette approche simplifie la fabrication et améliore la fiabilité, bien qu’elle nécessite encore des développements supplémentaires avant de pouvoir être adoptée pour une production à grande échelle et un fonctionnement à long terme. En fonction de l’application, les systèmes modernes de balais et d’anneaux avec une durée de vie prolongée peuvent encore être l’option la plus pratique lorsqu’ils sont combinés à une optimisation appropriée pour maintenir l’efficacité du moteur.

Comparaison des coûts

Étant donné que les mêmes matériaux sont utilisés pour le stator, l’acier et le bobinage dans les trois modèles, leurs coûts restent identiques. Bien que les dimensions du rotor soient identiques, de petites variations dans la géométrie créent de légères différences dans les coûts. les coûts de laminage du rotor.

En date d’aujourd’hui, Aimants N30 coût approximatif 60 USD par kilogramme, tandis que le Aimants en ferrite Y33 coût environ 1 USD par kilogramme-ce qui les rend à peu près 60 fois moins chers. Même si le FaSynRM Bien que la conception EESM utilise un volume d’aimant plus important, le coût total de l’aimant reste bien inférieur à celui de la conception NdFe. Dans l’EESM, l’AWG 16 est utilisé pour l’enroulement du rotor. Son prix est d’environ 16 USD par kilogramme.

Lorsque nous calculons la coûts des matériaux actifsnous constatons que les aimants NdFe contribuent à hauteur d’environ 30 % du prix total d’un PMSM. En revanche, les aimants en ferrite ne coûtent que 0,64 USD, ce qui porte le total à Coût du moteur FaSynRM à environ 68.19 USDqui est de 33 % moins cher que le modèle NdFe. Les EESMen raison de ses enroulements de rotor supplémentaires, est légèrement plus coûteux que le FaSynRM, mais il est encore d’environ 20 % moins cher que le moteur NdFe.

Cette analyse des coûts montre qu’en plus de résoudre les problèmes de chaîne d’approvisionnement liés aux aimants en terres rares, ces conceptions alternatives permettent également de réduisent considérablement les coûts de production, ce qui les rend beaucoup plus économiques pour la fabrication en série. Toutes ces améliorations sont obtenues simplement en en remplaçant le rotor d’un moteur existant par un conception sans terres rares avec l’optimisation correcte.

Conclusion

Les simulations et les conceptions discutées ci-dessus montrent clairement que Aimants NdFe peuvent être remplacés par des aimants aimants en ferrite ou complètement enlevés en utilisant des bobines enroulées sur le rotor. Pour y parvenir, un processus d’optimisation minutieux et approfondi est nécessaire afin d’atteindre le plein potentiel de performance. C’est exactement là que nous pouvons vous aider – en vous guidant tout au long de ce processus et en vous aidant à réduire les coûts des prototypes et de la production de masse.

Si vous envisagez de remplacer votre moteur à terres rares – que ce soit pour véhicules électriques, pompes, ventilateurs ou applications industrielles – n’hésitez pas à nous contacter. Nous pouvons vous fournir un une conception électromagnétique, thermique et mécanique entièrement optimisée adaptée à vos besoins, garantissant une transition en douceur à partir de votre moteur existant. Ainsi, vous pouvez réduire les coûts par moteur tout en réalisant une efficacité et une performance accrues.

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