Optimal Design and Finite Element Analysis of an Efficiency BPMDC Motor for EV Propulsion with Reduced Material Cost and Power Losses Using ANSYS Electronics

Les véhicules électriques deviennent une vue familière sur les routes du monde entier, pourtant le cœur de chaque voiture électrique reste une machine complexe : le moteur électrique. Pour déplacer un véhicule, ces moteurs doivent convertir l'électricité en mouvement avec le moins de gaspillage possible. Lorsque l'énergie est gaspillée, elle se transforme généralement en chaleur ou est perdue par friction, ce qui réduit l'autonomie de conduite et augmente le coût du véhicule. Un type spécifique de moteur, connu sous le nom de moteur à courant continu à aimants permanents sans balais, est apparu comme un sérieux candidat pour cette tâche car il est compact, puissant et efficace. Cependant, en construire un ne consiste pas seulement à le faire tourner ; cela nécessite un équilibre délicat de matériaux. Les aimants à l'intérieur du rotor, l'acier dans le noyau et le cuivre dans les bobinages ont tous des coûts et des caractéristiques de performance différents. Si les matériaux sont trop coûteux, la voiture devient inabordable ; s'ils sont trop faibles, le moteur gaspille de l'énergie. Le défi pour les ingénieurs est de trouver la combinaison parfaite qui offre des performances élevées sans se ruiner.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de résoudre cet équilibre pour un moteur conçu spécifiquement pour la propulsion de véhicules électriques. Ils se sont concentrés sur un moteur de 2,08 kilowatts, une taille adaptée aux petits véhicules ou à des applications de traction spécifiques, et ont utilisé des simulations informatiques avancées pour tester leurs idées. Au lieu de construire des prototypes physiques, ce qui peut être lent et coûteux, ils ont utilisé une suite logicielle puissante appelée ANSYS Electronics. Cet outil leur a permis de créer un modèle numérique détaillé du moteur et d'observer comment l'électricité et les champs magnétiques interagissaient à l'intérieur de celui-ci. Les chercheurs ont conçu le moteur pour qu'il fonctionne à 220 volts à une vitesse de 1500 révolutions par minute. Ils ont soigneusement sélectionné l'acier pour les noyaux du stator et du rotor et disposé les bobinages en cuivre selon un motif spécifique pour s'assurer que les forces magnétiques soient réparties uniformément. L'objectif était de voir comment différents choix de permanence d'aimants — les pièces qui fournissent le champ magnétique constant à l'intérieur du moteur — modifieraient l'efficacité du moteur et la quantité d'énergie gaspillée.

Pour trouver la meilleure solution, l'équipe n'a pas testé un seul type d'aimant. Ils ont créé six versions différentes du moteur, chacune utilisant un grade différent de matériau d'aimant permanent. Ils ont ensuite lancé la même simulation sur les six versions pour voir laquelle performait le mieux dans les mêmes conditions. L'ordinateur a calculé chaque détail, de la chaleur générée par les fils de cuivre à l'énergie perdue lorsque les composants du moteur frottent contre l'air. Les résultats étaient clairs : tous les aimants ne se valent pas. Un aimant spécifique, identifié dans l'étude comme étant le XG196/96, a surpassé les autres. Cette configuration particulière a permis au moteur d'atteindre une efficacité de 87,56 %, ce qui était la plus élevée du groupe. En revanche, la configuration d'aimant la moins efficace n'a atteint qu'environ 85,2 % d'efficacité. La différence peut sembler minime, mais dans le monde des véhicules électriques, même une fraction de pourcentage d'efficacité se traduit par plus de kilomètres parcourus avec la même charge de batterie.

L'étude a également analysé précisément où l'énergie partait et où elle était perdue. Avec l'aimant le plus performant, le moteur présentait des pertes réduites sur toute la ligne. Les bobinages en cuivre, qui transportent le courant électrique, ont perdu environ 203,7 watts de puissance sous forme de chaleur. Le noyau de fer, qui guide le champ magnétique, a perdu 14,77 watts. Même les composants électroniques qui commutent le courant (on/off), tels que les transistors et les diodes, ont contribué à la perte totale, mais l'équipe a pu quantifier ces montants avec précision. Les pertes par friction et par ventage, qui sont les coûts énergétiques du moteur tournant dans l'air et de la résistance mécanique de ses pièces mobiles, ont été maintenues très basses à seulement 12 watts. En comparant ces chiffres à travers les six conceptions différentes, les chercheurs ont pu voir que le choix de l'aimant influençait directement le courant circulant dans le moteur, ce qui dictait à son tour la quantité d'énergie gaspillée. L'aimant XG196/96 nécessitait moins de courant pour accomplir le même travail, ce qui explique pourquoi il générait moins de chaleur et gaspillait moins d'énergie.

Au-delà de l'efficacité, les chercheurs ont examiné la fluidité de fonctionnement du moteur. Un problème courant des moteurs électriques est le « cogging » (ou décrochage), une sensation de saccade qui se produit lorsque les dents magnétiques du rotor et du stator s'accrochent l'une à l'autre. Cela peut provoquer des vibrations et du bruit, ce qui est désagréable pour un conducteur. Les simulations ont montré que la conception choisie produisait un couple très fluide, ce qui signifie que la force de rotation était constante et régulière. Le champ magnétique à l'intérieur du moteur était réparti uniformément, et les signaux électriques qui pilotent le moteur étaient propres et symétriques. L'équipe a également vérifié la capacité du moteur à démarrer à partir d'un arrêt complet, un moment critique pour tout véhicule. La simulation a indiqué que le moteur pouvait produire un couple de démarrage près de quatre fois supérieur à son couple de fonctionnement normal, suggérant qu'il accélérerait avec force lorsqu'il le faudrait.

Le travail présenté dans cet article est une étude de simulation, ce qui signifie que les résultats proviennent d'un modèle informatique sophistiqué plutôt que d'une machine physique sur un banc d'essai. Cependant, le niveau de détail de la modélisation est élevé, tenant compte des propriétés spécifiques de l'acier, de la forme exacte des aimants et du comportement des courants électriques. Les chercheurs n'ont pas prétendu avoir construit une nouvelle voiture ou un nouveau moteur prêt pour les salles d'exposition. Ils ont plutôt fourni un plan rigoureux et une méthode éprouvée pour la sélection des matériaux. Ils ont démontré qu'en choisissant soigneusement le bon aimant, il est possible de concevoir un moteur qui soit à la fois rentable et hautement efficace. Pour l'avenir du transport électrique, où chaque watt d'énergie compte, ce type d'ingénierie de précision est essentiel. L'étude conclut que l'aimant XG196/96 offre le meilleur compromis entre performance et coût, fournissant une base solide pour la prochaine génération de transmissions de véhicules électriques.