Comment évaluer la capacité d’affaiblissement de champ à grande vitesse des moteurs à flux axial ?

Au cours des dernières années, Les moteurs à flux axial ont gagné en popularité dans la communauté des entraînements électriques. Ils sont considérés par beaucoup comme l'une des orientations représentatives des moteurs hautes performances de nouvelle génération, en particulier dans les applications où le volume et le poids sont critiques, comme les moteurs intégrés aux roues, les drones, les voitures de sport électriques et les systèmes hybrides. La structure de flux axial offre des avantages uniques dans ces scénarios.

Cependant, pour réellement appliquer des moteurs à flux axial dans des systèmes d’entraînement électrique à grande vitesse, un défi technique est inévitable :  la capacité d’affaiblissement de champ à grande vitesse est-elle suffisante ? Et comment doit-il être évalué ?

I. Tout d'abord, comprenez : pourquoi un « affaiblissement de champ » est-il toujours nécessaire à grande vitesse ?

Une caractéristique fondamentale des moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) est que la force contre-électromotrice augmente avec la vitesse.

La FEM arrière peut être simplement comprise comme la tension « générée » par le moteur lui-même lorsqu'il tourne. Lorsque la vitesse augmente jusqu'à un certain point, la force contre-électromotrice approche, voire dépasse, la tension maximale que le contrôleur peut fournir, c'est-à-dire la tension du bus CC. À ce stade, le moteur ne peut plus injecter de courant ni augmenter la vitesse ; il est effectivement bloqué par un « mur de tension ».

Alors que peut-on faire ?

La méthode est la suivante :  réduire activement la liaison de flux du moteur, c'est-à-dire rendre le champ magnétique 'plus faible' , abaissant ainsi la force électromagnétique arrière et libérant une marge de tension pour des vitesses plus élevées. C'est ce que nous appelons communément « le contrôle d'affaiblissement du champ ».

Une analogie :
un vélo standard a besoin d'un rapport de démultiplication important pour le démarrage et d'un couple élevé ; si vous maintenez ce ratio élevé à grande vitesse, vos jambes ne peuvent pas suivre la cadence. Le contrôle d'affaiblissement du champ revient à passer à un rapport de vitesse plus petit à grande vitesse, permettant à la vitesse du véhicule de continuer à augmenter tandis que la cadence de vos jambes reste la même.

II. Les particularités des moteurs à flux axial en défluxage

Les moteurs à flux axial ne constituent pas une conception fixe unique, mais plutôt une large catégorie de topologies. Leur caractéristique commune est que le flux d’entrefer s’écoule dans la direction axiale plutôt que radialement comme dans les moteurs à flux radial conventionnels.

Cette structure apporte des avantages tels qu'une densité de couple élevée, un facteur de forme plat et une courte longueur axiale, mais introduit également certaines caractéristiques pertinentes pour la capacité d'affaiblissement du champ.

L'un des facteurs les plus influents est le suivant :  de nombreux moteurs à flux axial ont une inductance relativement faible.

La capacité d'affaiblissement de champ d'un moteur est étroitement liée au rapport entre l'inductance d'axe direct  Ld  et la liaison de flux  Ψm . En termes simples, plus l'inductance de l'axe direct est grande et plus la liaison de flux est petite, plus l'affaiblissement du champ devient théoriquement facile et plus la capacité d'extension à grande vitesse est forte.

De nombreux moteurs à flux axial, à la recherche d'une densité de couple élevée, ont des chemins magnétiques courts et des enroulements aux extrémités courtes, ce qui entraîne une inductance naturellement faible. Par conséquent, un courant d’affaiblissement de champ plus important est nécessaire pour annuler la liaison de flux, ce qui entraîne une augmentation significative des pertes de cuivre à grande vitesse, une baisse du rendement et peut-être même une capacité d’affaiblissement de champ insuffisante.

Mais attention :  tous les moteurs à flux axial n'ont pas de mauvaises performances d'affaiblissement de champ.
Cela dépend de la conception spécifique. Par exemple, l'utilisation d'aimants multicouches, l'augmentation du nombre de paires de pôles, l'optimisation des configurations d'enroulement ou l'augmentation de la contribution du couple de réluctance peuvent tous améliorer les performances d'affaiblissement du champ.

Par conséquent, lors de l'évaluation, on ne peut pas simplement dire « les moteurs à flux axial ont toujours un faible affaiblissement de champ » ; elle doit être évaluée au cas par cas pour chaque conception spécifique.

III. Quels sont les principaux indicateurs pour évaluer la capacité d’affaiblissement du champ ?

Dans la pratique de l'ingénierie, l'évaluation de la capacité d'affaiblissement de champ à grande vitesse d'un moteur à flux axial implique généralement les paramètres et courbes de base suivants.

1. Courant caractéristique

Le courant caractéristique est défini comme :

 où  Ψm  est la liaison de flux à aimant permanent et  Ld  est l'inductance à axe direct.

Si le courant caractéristique est inférieur au courant de sortie maximum du contrôleur, alors le moteur peut théoriquement entrer dans la région « d'affaiblissement de champ infini », permettant une extension à très grande vitesse.
Si le courant caractéristique est supérieur au courant maximum, cela signifie que même l'utilisation de tout le courant pour l'affaiblissement du champ est insuffisante pour annuler la liaison de flux, limitant ainsi la capacité d'extension à grande vitesse.

Le courant caractéristique est l’indicateur le plus intuitif pour évaluer le potentiel d’affaiblissement du champ.

2. Cercle de limite de tension et cercle de limite de courant

Sur le plan vectoriel actuel, le fonctionnement du moteur est limité par deux cercles :

• Cercle de limite de courant : déterminé par le courant de sortie maximum du contrôleur ;

• Cercle limite de tension : déterminé par la tension du bus DC et la vitesse actuelle.

À mesure que la vitesse augmente, le cercle limite de tension se rétrécit. Le point de fonctionnement du moteur doit se situer à l'intersection de ces deux cercles.

Un moteur doté d'une forte capacité d'affaiblissement de champ dispose toujours d'une zone d'intersection suffisante à grande vitesse pour fournir un couple utile.
Un moteur avec une faible capacité d'affaiblissement de champ voit le cercle limite de tension se rétrécir trop rapidement, ce qui réduit le point de fonctionnement dans une très petite région, et la capacité de sortie chute fortement.

3. Largeur de la région à puissance constante

En ingénierie, la « région de puissance constante » est souvent utilisée pour évaluer la capacité d'extension à grande vitesse.
Une région de puissance constante plus large indique que le moteur peut maintenir une puissance de sortie relativement élevée à des vitesses élevées, plutôt que de subir une chute de couple abrupte.

Si un moteur à flux axial est mal conçu pour l'affaiblissement du champ, sa région de puissance constante sera sensiblement étroite et la puissance à l'extrémité haute vitesse chutera rapidement.

4. Rapport entre la vitesse maximale et la vitesse nominale

Ce rapport est également appelé « rapport d'expansion de vitesse d'affaiblissement du champ ».
Pour les moteurs d'entraînement de véhicules de tourisme typiques, un taux d'expansion de 3 à 4 fois ou plus est souhaité, par exemple, évalué à 4 000 tr/min et maximum à 15 000 à 18 000 tr/min.
La capacité d'un moteur à flux axial d'atteindre ce niveau dépend d'une évaluation combinée de l'inductance, de la liaison de flux, du nombre de paires de pôles et de la capacité de tension du contrôleur.

5. Efficacité à grande vitesse et augmentation de la température

L'affaiblissement du champ ne concerne pas seulement « sa capacité de rotation », mais également « quelle est son efficacité lorsqu'il le fait. »
Si le courant d'affaiblissement du champ est excessivement important, la perte de cuivre augmente considérablement, entraînant une forte augmentation de la température à grande vitesse, qui peut même provoquer une démagnétisation irréversible des aimants permanents.

Par conséquent, lors de l’évaluation de la capacité d’affaiblissement du champ, il est essentiel d’examiner également le MAP d’efficacité à grande vitesse et les performances thermiques, et pas seulement les chiffres de vitesse.

IV. Comment évaluer en pratique ? Trois approches

Approche 1 : Simulation électromagnétique

Pendant la phase de conception, les ingénieurs construisent généralement un modèle électromagnétique du moteur à flux axial à l'aide d'un logiciel de simulation par éléments finis.

En balayant différentes vitesses et vecteurs de courant, on peut obtenir ce qui suit :

• Forme d'onde EMF arrière ;

• Inductances à axe direct et à axe en quadrature  Ld , Lq;

• Liaison de flux  Ψm;

• Courant caractéristique  Ich;

• Intersection de l'ellipse de limite de tension et du cercle de limite de courant ;

• Courbe couple-vitesse maximale théorique ;

• CARTE d’efficacité.

Ces données peuvent refléter de manière exhaustive le potentiel d'affaiblissement du champ du moteur.
Cependant, pour obtenir des résultats de simulation précis, le modèle doit représenter fidèlement le flux de fuite aux extrémités du flux axial, les trajets du circuit magnétique 3D et les caractéristiques de saturation. En conséquence, la simulation des moteurs à flux axial s'appuie davantage sur l'analyse par éléments finis 3D par rapport aux moteurs radiaux conventionnels.

Approche 2 : tests sur banc

La simulation n’est que théorique ; en fin de compte, des mesures sur banc sont nécessaires.

Les tests au banc comprennent généralement :

• Mesure du coefficient EMF arrière ;

•  Mesure d'inductance à différentes températures ;

• Courbe caractéristique externe couple-vitesse de pointe ;

• Capacité de sortie de puissance nominale continue ;

• Temps de fonctionnement soutenu à vitesse maximale ;

• Augmentation de l'efficacité et de la température dans la région d'affaiblissement du champ à grande vitesse ;

• Test de dégradation des performances après démagnétisation de l'aimant.

Les plus critiques sont  l'augmentation de la température dans la région d'affaiblissement de champ à grande vitesse  et  la capacité de fonctionnement continu. .
De nombreux prototypes à flux axial peuvent atteindre des vitesses très élevées lors d'essais de pointe de courte durée, mais s'ils surchauffent et diminuent après quelques minutes de fonctionnement continu, ils ne peuvent pas être considérés comme ayant une capacité d'affaiblissement de champ véritablement qualifiée.

Approche 3 : Évaluation de l’adéquation de la stratégie de contrôle

La capacité d'affaiblissement du champ dépend non seulement du moteur lui-même, mais également du contrôleur et des algorithmes de contrôle.

Les stratégies de contrôle courantes comprennent :

• MTPA (couple maximum par ampère) ;

• Contrôle de l'affaiblissement du champ ;

• MTPV (couple maximum par tension) ;

• Anticipation de tension et découplage de courant en cas d’affaiblissement de champ profond.

L'évaluation doit examiner si la stratégie de contrôle peut exploiter pleinement les limites de tension et de courant du moteur à flux axial.
Si le corps du moteur présente un bon potentiel d'affaiblissement de champ mais que l'algorithme de contrôle est inadéquat, des problèmes tels qu'une gigue, une perte de contrôle ou un rendement excessivement faible peuvent survenir à des vitesses élevées.

V. Quelles améliorations de conception peuvent améliorer la capacité d'affaiblissement de champ à grande vitesse des moteurs à flux axial ?

Si l’évaluation révèle une capacité insuffisante d’affaiblissement du champ, les orientations d’amélioration courantes comprennent :

1. Optimiser l'inductance à axe direct

Une augmentation appropriée de l'inductance de l'axe direct peut réduire le courant caractéristique et améliorer la capacité d'affaiblissement du champ.
Ceci peut être réalisé en augmentant le nombre de paires de pôles, en ajustant la géométrie des fentes, en optimisant la disposition des enroulements, en augmentant la largeur du pont magnétique, etc.

Cependant, l'augmentation de l'inductance à axe direct entre souvent en conflit avec la densité de couple, une optimisation multi-objectifs est donc nécessaire.

2. Réduire modérément la liaison de flux

L'utilisation d'aimants avec une rémanence légèrement inférieure mais une tolérance de température plus élevée, ou une réduction de l'épaisseur de l'aimant, peut réduire la force électromagnétique et le courant caractéristique.
Le compromis est une réduction du couple à basse vitesse, qui doit être mise en balance avec les exigences globales du système.

3. Augmenter la contribution du couple de réticence

En augmentant le rapport de saillance (différence entre les inductances en quadrature et à axe direct), le couple de réluctance peut assumer une plus grande part de la sortie, réduisant ainsi le recours à la liaison de flux à aimant permanent.
De cette manière, en cas d'affaiblissement de champ à grande vitesse, la liaison de flux occupe moins de marge de tension, ce qui facilite l'extension de la vitesse.

4. Adopter une excitation hybride ou un flux variable

Il s’agit d’une approche plus avancée.
L'incorporation d'enroulements de champ ou d'aimants à flux variable dans la structure de flux axial permet une réduction active du flux d'entrefer à grande vitesse, transformant « l'affaiblissement de champ passif » en « affaiblissement de champ actif ».

Cette conception peut améliorer considérablement le rendement à grande vitesse et la largeur de la région à puissance constante, mais augmente la complexité structurelle et le coût.

5. Améliorer l'utilisation de la tension du bus CC

Si le moteur lui-même a une capacité d'affaiblissement de champ modeste, il est également possible de repousser le « mur de tension » en augmentant le niveau de tension du contrôleur, en utilisant des onduleurs SiC, en optimisant les stratégies de modulation, etc., pour fournir une tension plus efficace à partir de la même tension de bus.

Cela laisse plus de marge pour l’affaiblissement du champ.

VI. Idées fausses courantes

Lors de l’évaluation de la capacité d’affaiblissement du champ à grande vitesse des moteurs à flux axial, plusieurs idées fausses méritent d’être notées.

Idée fausse 1 : ne regarder que la vitesse maximale.

Une vitesse maximale élevée ne signifie pas nécessairement une forte capacité d’affaiblissement du champ : il peut s’agir simplement d’une augmentation de vitesse à court terme sans puissance utile durable.

Idée fausse 2 : Croire que les moteurs à flux axial ont toujours un faible affaiblissement de champ.

Comme mentionné précédemment, le flux axial est un concept topologique et les performances spécifiques en matière d'affaiblissement de champ varient considérablement. Certains moteurs à flux axial hautes performances peuvent même surpasser les moteurs à flux radial comparables en termes de capacité d'affaiblissement du champ.

Idée fausse 3 : ignorer les effets de la température.

La liaison du flux magnétique permanent et la résistance de l'enroulement varient en fonction de la température. À des températures élevées, la liaison de flux diminue, modifiant les besoins en courant d'affaiblissement du champ. L’évaluation doit utiliser des paramètres à chaud, et pas seulement des données à froid.

Idée fausse 4 : traiter la vitesse maximale de simulation comme une vitesse réellement utilisable.

Les simulations sont souvent exécutées dans des conditions idéales de tension, de courant et de température. Lors de tests au banc réels, les non-linéarités du contrôleur et la protection thermique limiteront la zone d'affaiblissement du champ pratique.

VII. Conclusion

La capacité d’affaiblissement de champ à grande vitesse d’un moteur à flux axial est, par essence, un problème d’ingénierie au niveau du système.

Cela dépend non seulement de la conception électromagnétique du corps du moteur, mais également de la stratégie de contrôle, de la capacité de l'onduleur et de la gestion thermique.
L’évaluation ne doit pas reposer sur un ou deux paramètres seulement ; au lieu de cela, cela nécessite un jugement complet basé sur le courant caractéristique, les cercles limites de tension/courant, la largeur de la région de puissance constante, l'efficacité à grande vitesse, l'augmentation de la température et la capacité de fonctionnement continu.

Pour les ingénieurs qui souhaitent réellement intégrer les moteurs à flux axial dans les applications d'entraînement électrique à grande vitesse,  la capacité d'affaiblissement du champ n'est pas une question de « si elle existe », mais plutôt de « si le moteur peut augmenter la vitesse de manière durable et efficace. »

À l'avenir, grâce aux progrès réalisés dans les nouveaux matériaux, les nouvelles topologies et les techniques d'optimisation multi-physiques, les performances des moteurs à flux axial dans la région d'affaiblissement de champ à grande vitesse continueront de s'améliorer.
Et l’évaluation précise et systématique de leur capacité d’affaiblissement de champ deviendra de plus en plus un maillon essentiel du développement des entraînements électriques.