Sélection de la température de démagnétisation de l'aimant du rotor à flux axial : la température est le premier sujet de sélection

L'erreur la plus courante dans la sélection des aimants pour Pour les moteurs à flux axial, il faut partir du tableau des qualités : regardez d'abord la rémanence, puis la température de fonctionnement maximale, et choisissez une qualité « suffisamment bonne » pour l'insérer dans la nomenclature. Mais dans une structure à flux axial, cet ordre est exactement inversé. La température de l’aimant du rotor n’est pas déterminée par l’aimant lui-même ; elle est imposée à l'aimant par la topologie, le refroidissement et les conditions de fonctionnement. Le véritable point de départ de la sélection est de se demander clairement :  dans le pire des cas, où court-circuit, surcharge et points chauds se superposent, quelle sera la température de l'aimant et pourra-t-il encore résister au champ magnétique inverse à cette température ?

Le risque de démagnétisation du flux axial est « inscrit dans » la structure

L’argument de vente des moteurs à flux axial est clair : à puissance égale, le poids et la longueur axiale peuvent être réduits de moitié par rapport aux moteurs radiaux. Mais cette compacité a un coût thermique.

Dans une topologie à double stator et à rotor unique, le rotor est pris en sandwich entre deux stators, de sorte que la zone de contact direct entre le rotor et l'air est considérablement réduite et le chemin de dissipation thermique est intrinsèquement étroit. Dans le même temps, les aimants eux-mêmes génèrent des pertes par courants de Foucault dans le champ magnétique alternatif, et cette chaleur est libérée directement à l'intérieur des aimants permanents. Le rayonnement thermique des stators superposé à l'auto-échauffement du rotor permet à la température de l'aimant d'approcher ou même de franchir facilement la limite dangereuse dans des conditions continues de haute puissance. Un jugement récurrent dans les analyses industrielles est que la structure sandwich et la densité de puissance élevée des moteurs à flux axial conduisent à une capacité thermique extrêmement faible, rendant les aimants du rotor « très sujets à la surchauffe ».

Par conséquent, la sélection des aimants pour le flux axial ne peut pas simplement copier l’expérience des moteurs radiaux. L'intuition des moteurs radiaux selon laquelle « le rotor est refroidi par l'arbre et l'air aux extrémités » échoue fondamentalement dans une topologie de type disque.

Ce qui se passe réellement lors de la démagnétisation : la frontière entre réversible et irréversible

Pour comprendre la sélection, il suffit de saisir deux concepts de température.

La démagnétisation réversible  est la « dégradation thermique » normale d'un aimant. À mesure que la température augmente, la rémanence diminue linéairement et se rétablit après refroidissement, sans dommage permanent. Le NdFeB fonctionne principalement dans cette plage inférieure à 120°C. Le problème apparaît au-dessus de 120°C : la pente de la désintégration réversible devient plus importante et, plus critique encore,  la limite de la démagnétisation irréversible se rapproche..

Le critère physique d'une démagnétisation irréversible est le  point de genou . La courbe de démagnétisation présente un point d'inflexion dans le deuxième quadrant. Les points de fonctionnement au-dessus du genou sont sûrs ; une fois qu'un champ magnétique inverse externe pousse le point de fonctionnement en dessous du point de genou, l'aimant ne peut pas revenir après la suppression du champ externe et la rémanence subit une perte permanente. La conséquence de l'augmentation de la température est double : la rémanence diminue et, en même temps,  le point du genou se déplace vers la droite (vers le champ magnétique inférieur) , ce qui signifie que le même champ magnétique inverse est plus susceptible de traverser le point du genou à haute température. Pour le NdFeB, la pratique technique considère généralement  autour de 150°C comme la région critique pour une démagnétisation irréversible ; au-dessus de ce niveau, le risque de perte totale des performances magnétiques n’est plus un événement négligeable et peu probable.

Le suffixe lettre d'un type d'aimant indique essentiellement  la température à laquelle la pointe du genou peut encore rester suffisamment à droite . Les correspondances courantes sont : SH correspond à environ 150°C, UH à 180°C, EH à 200°C et AH à 220°C. Mais il y a un point qui est très facilement mal interprété : la température indiquée par le suffixe est la résistance à la température du matériau dans  des conditions spécifiques d'étalonnage du coefficient de perméance , et non la « température maximale de fonctionnement » que l'aimant obtient automatiquement après avoir été installé dans le moteur. Le même aimant UH peut fonctionner en continu à 130°C dans un prototype bien refroidi, mais dans une pièce produite en série avec un refroidissement sandwich insuffisant, le point chaud peut directement dépasser 170°C.

Samarium Cobalt : l’option de repli, mais le coût doit être clairement calculé

Lorsque la marge de température du NdFeB est vraiment insuffisante, le SmCo constitue une alternative incontournable en ingénierie. Le SmCo a une résistance à la température nettement plus élevée ; de nombreuses qualités peuvent être utilisées dans des applications au niveau de  350°C  , et la température de Curie est également comprise entre 700 et 850°C, bien supérieure aux 310 et 350°C du NdFeB. Dans la région des hautes températures, la pente de la courbe de démagnétisation irréversible du SmCo avec la température est également beaucoup plus plate que celle du NdFeB.

Mais le coût du SmCo doit en même temps être mis sur la table. Sa rémanence typique se situe dans la plage  de 0,95 à 1,1 T  , tandis que le NdFeB peut atteindre 1,1 à 1,4 T ; le produit énergétique maximal est généralement inférieur  de 25 à 30 %  à celui du NdFeB. Cela signifie que pour obtenir la même densité de flux d'entrefer, les aimants SmCo doivent être plus épais et plus lourds, ce qui à son tour empiète sur l'espace axial déjà restreint des machines à flux axial et peut même augmenter l'inertie du rotor et les pertes par courants de Foucault. SmCo est également plus cher, et la maturité de sa chaîne d’approvisionnement et sa flexibilité de livraison ne sont pas aussi bonnes que celles du NdFeB. Par conséquent, à moins que le contrôle thermique n'indique clairement que « même le NdFeB mis à niveau vers EH/AH ne peut pas tenir »,  l'utilisation de SmCo pour « acheter » une marge de température est souvent une transaction payée trois fois plus en termes de poids, de coût et de densité de puissance..

L'ordre correct de sélection : déduire la qualité à partir de la température de l'aimant

Un processus de sélection d'aimant exploitable basé sur la température pour le flux axial doit suivre l'ordre ci-dessous, plutôt que de partir du tableau des qualités.

Étape 1 : Définissez d’abord le refroidissement, puis discutez de la qualité.  La méthode de refroidissement du rotor d'une machine à flux axial détermine directement le « plancher » de la température de l'aimant. Le refroidissement par air est simple et présente de faibles pertes parasites, mais la conductivité thermique et la capacité thermique spécifique de l'air sont limitées, et la capacité de refroidissement dépend fortement de la vitesse et de l'environnement. Le refroidissement de l'huile est fortement attendu en flux axial ; des données expérimentales montrent qu'un système raisonnable de refroidissement de l'huile peut réduire la température maximale de  15 à 20 °C  davantage qu'un refroidissement à l'eau pure, mais le refroidissement de l'huile « évacuant la chaleur » n'équivaut pas à « l'élimination de la chaleur ». La différence de température entre le bord et le centre d'une structure de type disque peut toujours atteindre  30 à 50 K , et le point chaud local fait l'objet d'une vérification de la démagnétisation. Avant que le système de refroidissement ne soit gelé, toute sélection de qualité manque de principes fiables.

Étape 2 : Mettez la condition de court-circuit dans le contrôle de température.  La température en fonctionnement normal n'est qu'une référence. La vérification de la démagnétisation doit couvrir le champ magnétique inverse généré par un défaut du contrôleur ou un court-circuit de l'enroulement, et cette vérification doit être effectuée à  la température la plus élevée que l'aimant peut atteindre dans ces conditions . Le critère de conception dans la littérature est simple : l'épaisseur de l'aimant doit être choisie pour éviter une démagnétisation irréversible après un courant de court-circuit triphasé à la température la plus basse. Plus généralement, il est nécessaire de confirmer que le point de fonctionnement ne descend pas en dessous du point de coude à la superposition de la pire température et du pire champ démagnétisant.

Étape 3 : utilisez « température réelle de l'aimant + champ de démagnétisation de court-circuit » pour vérifier le suffixe de qualité.  Si la température du point chaud de l'aimant donnée par le système de refroidissement et la conception électromagnétique est de l'ordre de  140 à 150 °C et que le champ de démagnétisation du court-circuit n'est pas important, SH peut entrer dans la liste des candidats ; une fois que le point chaud approche ou dépasse  160°C , l'UH est un point de départ plus fiable ; lorsque le point chaud dépasse  180 °C , les qualités EH ou même supérieures doivent être sérieusement évaluées, ou la conception du refroidissement elle-même doit être reconsidérée. La logique ici est la suivante :  le suffixe n'est pas un 'niveau de performance', mais un 'niveau de capacité à préserver le point de genou à une température donnée'.  Le coût des qualités de suffixe supérieur (UH/EH) est généralement une rémanence légèrement inférieure ou un ajout de terres rares lourdes plus élevé ; ce n'est pas une assurance gratuite.

Étape 4 : Utilisez la segmentation du rotor et la géométrie de l'aimant pour « alléger la charge » en matière de température.  Le choix de l’aimant n’est pas une décision matérielle isolée. La perte par courants de Foucault des aimants de rotor à flux axial est directement liée à la longueur du trajet des courants de Foucault et à la surface de la surface de l'aimant, et la segmentation par aimant permanent est un moyen efficace de réduire la perte par courants de Foucault et de supprimer l'augmentation de la température. Lorsque la nuance a déjà été déterminée et que la marge de température est étroite, réduire la propre génération de chaleur de l'aimant grâce à l'optimisation de la segmentation est parfois plus économique que de simplement augmenter le suffixe de la nuance d'un niveau, et cela est également plus propice à la préservation de la densité de couple.

Une ligne de jugement pratique

Si cet article doit être compressé en une seule phrase pour être intégré à une revue de conception, c'est :  la qualité d'un aimant de rotor à flux axial ne doit pas être « sélectionnée » ; elle doit être « calculée » : utilisez d’abord les conditions de refroidissement et de court-circuit pour calculer la température que l’aimant atteindra, puis utilisez cette température pour rechercher le point de coude, et enfin choisissez le suffixe.

Pour le NdFeB,  120°C  est le point d'observation à partir duquel la désintégration réversible commence à devenir significative, et autour de  150°C  est la région où le risque de démagnétisation irréversible atteint le niveau qui doit être sérieusement vérifié. Ces deux chiffres ne correspondent pas à la « température de fonctionnement maximale » dans le tableau des qualités ; ils rappellent plutôt aux concepteurs que dans la structure sandwich du flux axial, la marge de température disparaît plus rapidement que dans les machines radiales. Traiter la température comme un sujet de sélection plutôt que comme un objet de qualité est ce qui empêche la démagnétisation de passer d'un problème matériel à un écart de fiabilité systémique.