Les « yeux ardents » des moteurs d'entraînement principaux des véhicules électriques – personnalisation des résolveurs à réluctance variable

Introduction : Un « œil » indispensable pour le contrôle moteur

Dans le moteur d'entraînement des véhicules à énergie nouvelle, il existe un composant discret mais d'une importance cruciale : le résolveur à réluctance variable  (souvent abrégé en « résolveur »). Il agit comme « l'œil » du moteur, indiquant constamment au contrôleur du moteur : « Où est positionné le rotor maintenant ? Quelle est la vitesse de rotation ? »

Sans cet « œil », les moteurs synchrones à aimants permanents ne peuvent pas obtenir un contrôle de commutation précis, ce qui entraîne une puissance de sortie irrégulière et saccadée, voire un échec complet de fonctionnement. Les données montrent que le taux de pénétration des résolveurs dans les moteurs d'entraînement principaux des véhicules de tourisme à énergies nouvelles atteint  78,6 %,  ce qui signifie que presque tous les moteurs d'entraînement principaux des véhicules à énergies nouvelles en sont équipés.

Alors, comment fonctionne réellement ce petit capteur ? Pourquoi doit-il être « personnalisé » ? Et à quels paramètres clés devez-vous prêter attention lors de la personnalisation ?

1. Qu'est-ce qu'un résolveur de réluctance variable ?

1.1 Du transformateur au résolveur

Tout le monde connaît le « transformateur » : il augmente ou diminue la tension. Un résolveur peut être considéré comme une version avancée d'un transformateur : alors qu'un transformateur conventionnel produit une tension fixe, un résolveur produit une tension qui varie en fonction de l'angle de rotation du rotor.

Le résolveur à réluctance variable est le type le plus largement utilisé. Sa structure de base est remarquablement simple :

·  Stator : Fixé en place, enroulé avec un bobinage d'excitation (entrée) et des bobinages de sortie sinus/cosinus.

·  Rotor : Fait de tôles d'acier au silicium empilées avec des dents,  ne contenant aucun enroulement et tourne avec l'arbre du moteur.

1.2 Principe de fonctionnement : les changements d'entrefer déterminent les changements de signal

Lorsqu'une tension d'excitation alternative est appliquée à l'enroulement d'excitation du stator, un champ magnétique alternatif est généré dans l'entrefer entre le stator et le rotor. Lorsque le rotor tourne, la réluctance magnétique de l'entrefer change périodiquement car les dents du rotor (saillies et évidements) passent alternativement par les dents du stator.

Cette variation provoque un changement d'amplitude des tensions induites dans les deux enroulements de sortie (sinus et cosinus) - l'un suivant une configuration sinusoïdale, l'autre une configuration cosinusoïdale..

En interprétant ces deux signaux, le contrôleur de moteur peut calculer avec précision la position angulaire absolue du rotor à tout moment.

1.3 Pourquoi est-il devenu le premier choix pour les moteurs d'entraînement principaux des véhicules électriques ?

Le résolveur à réluctance variable est parvenu à « dominer » le secteur des véhicules à énergies nouvelles grâce aux atouts suivants :

·  Construction extrêmement simple et fiable : Pas de bobinage de rotor, pas de balais, pas de problème d'usure, et sa durée de vie théorique peut égaler celle de l'équipement lui-même.

·  Résilience environnementale exceptionnelle : plage de températures de fonctionnement de -50°C à +155°C, résistant aux températures élevées, aux vibrations et à la contamination par l'huile.

·  Forte immunité aux interférences électromagnétiques : Basé sur les principes d'induction électromagnétique, il est naturellement immunisé contre l'environnement électromagnétique hostile à l'intérieur du moteur.

·  Sortie de position absolue : Fournit l'angle actuel immédiatement à la mise sous tension, sans nécessiter de procédure de « homing ».

2. Pourquoi le moteur d'entraînement principal nécessite-t-il un résolveur « personnalisé » ?

Certains pourraient se demander : les résolveurs ne sont-ils pas des composants standards disponibles dans le commerce ? Pourquoi ne pas simplement en acheter un tout prêt ?

La réalité est loin d’être aussi simple.  Chaque moteur d'entraînement principal de véhicule à énergie nouvelle est conçu avec une puissance, une vitesse, un espace de montage et des conditions de fonctionnement différents - et ces différences déterminent directement que le résolveur doit être « fait sur mesure ».

2.1 Les dimensions de montage varient considérablement

Différents moteurs sont disponibles dans différentes tailles, de 25 à 300, chacun nécessitant un résolveur aux dimensions correspondantes. Les méthodes de montage diffèrent également : montage traversant, montage en surface, montage sur bride, chacune correspondant à une conception d'interface mécanique différente.

2.2 Les paramètres électriques diffèrent

Tension d'excitation, fréquence d'excitation, nombre de paires de pôles, rapport de transformation : tous ces paramètres électriques doivent parfaitement correspondre au système de commande du moteur. L'utilisation d'un résolveur avec des paramètres incompatibles peut, au mieux, réduire la précision des mesures et, au pire, rendre l'ensemble du système de commande du moteur inutilisable.

2.3 Les exigences en matière de précision varient considérablement

La précision de position requise pour le moteur d'entraînement d'un véhicule de tourisme grand public est complètement différente de celle d'un véhicule haute performance. Plus il y a de paires de pôles, plus la précision est élevée - allant de 2, 4 à 6 paires de pôles ou plus, avec une précision passant de 25 minutes d'arc à 10 minutes d'arc ou même plus.

2.4 Les conditions de fonctionnement ne sont pas uniformes

Certains moteurs fonctionnent dans des environnements refroidis par huile, ce qui nécessite que le résolveur soit compatible avec l'huile ; d'autres recherchent des vitesses extrêmement élevées, nécessitant une prise en charge de 20 000 tr/min ou même plus ; d'autres encore nécessitent une certification AEC-Q de qualité automobile : chaque condition impose des exigences de conception distinctes au résolveur.

3. Personnalisation du résolveur : que peut-on personnaliser exactement ?

3.1 Personnalisation mécanique

·  Dimensions extérieures : diamètre extérieur, longueur, positions des trous de montage, etc.

·  Méthode de montage : type traversant, montage en surface ou bride.

·  Ouverture de l'arbre du rotor : doit correspondre précisément au diamètre de l'arbre du moteur.

·  Spécifications du fil conducteur : longueur du fil, calibre et type de connecteur.

3.2 Personnalisation électrique

·  Nombre de paires de pôles : paramètre clé déterminant la résolution de la mesure ; peut être adapté aux besoins.

·  Tension d'excitation : typiquement AC 7 Vrms, mais réglable selon les besoins du système.

·  Fréquence d'excitation : généralement 10 kHz, mais d'autres fréquences peuvent être spécifiées.

·  Rapport de transformation : détermine l'amplitude du signal de sortie, affectant le traitement du signal de la puce de décodage en aval.

·  Impédance d'entrée/sortie : doit correspondre au circuit de commande.

3.3 Personnalisation des performances

·  Degré de précision : de la précision standard à la haute précision (par exemple ±4 minutes d'arc) disponible.

·  Vitesse de rotation maximale : standard 20 000 tr/min ; des vitesses plus élevées peuvent être personnalisées.

·  Plage de température de fonctionnement : adaptée aux conditions réelles de travail.

·  Classe de protection : par exemple, IP69 ou supérieur.

3.4 Personnalisations spéciales

·  Compatibilité avec les huiles : matériaux spéciaux et conceptions d'étanchéité pour moteurs refroidis à l'huile.

·  Tolérance d'excentricité : schémas d'enroulement brevetés pour compenser les erreurs d'excentricité de montage.

·  Détection de température intégrée : thermistance NTC en option pour la détection combinée de position et de température.

4. Processus de personnalisation : des exigences à la livraison

Un processus typique de personnalisation d’un résolveur comprend généralement les étapes suivantes :

Étape 1 : Communication des exigences  - Le client fournit les paramètres du moteur, l'espace disponible, les objectifs de performances, etc.

Étape 2 : Conception de la solution  – Le fournisseur développe les conceptions électromagnétiques et mécaniques en fonction des exigences.

Étape 3 : Vérification par simulation -  L'analyse par éléments finis (FEA) est utilisée pour optimiser les performances électromagnétiques.

Étape 4 : Fabrication du prototype  - Des échantillons prototypes sont produits et testés sur des bancs d'essai.

Étape 5 : Production de masse  -Après validation, le produit passe en production en volume.

Actuellement, les principaux fournisseurs nationaux de résolveurs ont raccourci le cycle de livraison de personnalisation à seulement 4 à 6 semaines. Certains ont déjà construit des lignes de production entièrement automatisées d’une capacité annuelle supérieure à 1 million d’unités.

5. Tendance du secteur : la substitution nationale prend de l'ampleur

Pendant longtemps, le marché des résolveurs haut de gamme a été dominé par des marques étrangères telles que les japonais Tamagawa et MinebeaMitsumi. Cependant, ces dernières années, la technologie chinoise des résolveurs a réalisé des percées significatives ; dans le même temps, les puces nationales du résolveur vers le convertisseur numérique (RDC) progressent également rapidement. Le SC2121 de Xinchi Semiconductor et d'autres produits ont atteint la parité fonctionnelle avec des modèles de renommée internationale, et Fengchao Technology a également lancé des puces RDC hautes performances.  La substitution nationale en chaîne complète – du capteur à la puce de décodage – s’accélère.

Conclusion

Bien que de petite taille, le résolveur à réluctance variable est un capteur central indispensable dans le système de contrôle des moteurs d'entraînement principaux des véhicules à énergie nouvelle. Sa personnalisation affecte directement la précision du contrôle, l'efficacité de fonctionnement et la fiabilité du moteur.

Avec la croissance continue de l'industrie des véhicules à énergies nouvelles et l'approfondissement de la substitution nationale, les services de personnalisation des résolveurs deviendront encore plus matures et efficaces. Pour les ingénieurs moteurs, comprendre les principes de fonctionnement et les éléments essentiels de personnalisation des résolveurs est déjà devenu un cours obligatoire.

Après tout,  ce n'est que lorsque le moteur est équipé des « yeux » droits qu'il peut voir clairement et fonctionner de manière stable..