Cette axiale

Il économise du poids, de l'énergie et de l'espace

Le coeur de tout moteur électrique est constitué d'un rotor qui tourne autour d'une pièce fixe, appelée stator. Le stator, traditionnellement en fer, a tendance à être lourd. Le fer du stator représente environ les deux tiers du poids d'un moteur conventionnel. Pour alléger le stator, certains ont proposé de le réaliser à partir d'un circuit imprimé.

Bien que l'idée de remplacer un morceau de fer par un PCB léger, ultra fin, facile à fabriquer et durable ait été attrayante dès le départ, elle n'a pas été largement adoptée dans ses premières applications à l'intérieur des équipements de pelouse et des éoliennes il y a un peu plus d'une décennie. Maintenant, cependant, le stator PCB retrouve une nouvelle vie. Attendez-vous à ce qu'il économise du poids et donc de l'énergie dans à peu près tout ce qui utilise l'électricité pour transmettre la force motrice.

Les composants en couches d'un moteur à flux axial Infinitum Electric sont présentés ici, sous forme éclatée. INFINITUM ELECTRIC

Cette économie d'énergie est d'une importance cruciale : les logiciels mangent peut-être le monde, mais l'électricité est de plus en plus ce qui fait tourner le monde. Les moteurs électriques consomment aujourd'hui un peu plus de la moitié de l'électricité mondiale. Quelque 800 millions de moteurs sont désormais vendus chaque année dans le monde, selon le groupe d'études de marché Imarc, un nombre qui augmente de 10 % chaque année. Les moteurs électriques font de sérieuses percées dans les voitures, les trains et les avions, ainsi que dans les équipements industriels et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Les transports, la construction et le CVC représentent ensemble environ 60 % de toutes les émissions de gaz à effet de serre aux États-Unis ; des moteurs électriques plus efficaces contribueront à réduire les émissions dans ces secteurs.

Malgré les avantages du stator PCB, les gens ont été lents à adopter la conception en raison de quelques idées fausses.

Tout d'abord, il y avait la croyance erronée que les PCB n'étaient bons que pour des applications délicates. Mais en 2011, CORE Outdoor Power a développé un souffleur de feuilles et un coupe-herbe, qui utilisaient tous deux un stator PCB et étaient pourtant robustes et silencieux.

Deuxièmement, il y avait un sentiment que les stators PCB ne pouvaient être utilisés que pour les machines de faible puissance. Mais en 2012, Boulder Wind Power a installé un stator PCB dans un générateur à entraînement direct de 12 mètres de diamètre pour une éolienne qui produit 3 mégawatts de puissance et un peu plus de 2 millions de newton mètres de couple. C'était l'un des générateurs haute puissance les plus fluides jamais construits.

Aucune des deux sociétés n'a survécu. Boulder Wind Power a manqué de financement avant de pouvoir obtenir des contrats commerciaux. CORE Outdoor Power ne pouvait pas rivaliser sur un marché encombré où il y avait des options moins chères. Pourtant, leurs réalisations pionnières ont démontré la faisabilité des stators PCB.

Les moteurs à flux axial s'adaptent facilement à l'essieu d'une voiture [en haut] et à l'entraînement du ventilateur d'un système CVC [en bas].INFINITUM ELECTRIC

Avance rapide jusqu'à aujourd'hui. Mon entreprise, Infinitum Electric, d'Austin, au Texas, a développé un moteur à stator PCB qui convient à une grande variété d'utilisations. Notre moteur génère autant de puissance qu'un moteur à induction à courant alternatif traditionnel, mais a la moitié du poids et de la taille, fait une fraction du bruit et émet au moins 25 % de carbone en moins. Il trouve maintenant des applications dans le CVC, la fabrication, l'industrie lourde et les véhicules électriques. Voici comment cela fonctionne.

L'Infinitum Electrique Le moteur est ce qu'on appelle un moteur à flux axial, une conception dans laquelle le câblage électromagnétique du stator est parallèle à un rotor en forme de disque contenant des aimants permanents. Lorsque le courant alternatif passe, il fait tourner le rotor. Le moteur a également un noyau d'air, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de fer pour médier le flux magnétique et rien entre les pièces magnétiques du moteur mais de l'air mince. Mettez toutes ces choses ensemble et le résultat est un moteur à aimant permanent à flux axial à noyau d'air.

Dans le passé, les tentatives de construction d'un tel moteur se heurtaient à de sérieux obstacles pratiques. Un processus de fabrication complexe était nécessaire pour construire le stator, les enroulements en cuivre étaient volumineux et la structure de support de la bobine était complexe. En conséquence, l'entrefer était si large que seule une masse d'aimant importante pouvait créer le flux magnétique nécessaire.

Chez Infinitum Electric, nous avons supprimé ces enroulements de cuivre et utilisé à la place des techniques photolithographiques pour graver de fines traces de cuivre entrelacées avec un stratifié de verre époxy, qui isole chaque bobine des bobines voisines. L'élimination du noyau de fer et la minimisation du cuivre permettent d'économiser de 50 à 65 % du poids et de 50 à 67 % du volume du moteur, par rapport à un moteur à noyau de fer conventionnel équivalent. Et commodément, le cuivre et le stratifié se dilatent et se contractent de la même manière lorsque la température monte et descend, évitant ainsi les contraintes qui pourraient autrement séparer lentement les composants.

L'absence de noyau statorique permet de placer deux rotors identiques face à face de part et d'autre du stator, chaque rotor portant de puissants aimants permanents. Cette disposition crée un flux magnétique constant. Comme dans d'autres moteurs à flux axial, ce flux est parallèle à l'axe de rotation, plutôt que radial. Parce que l'entrefer magnétique est étroit, nous n'avons besoin que d'un petit aimant, c'est pourquoi nous pouvons extraire beaucoup de puissance d'une masse et d'un volume donnés.

Notre moteur génère autant de puissance qu'un moteur à induction à courant alternatif traditionnel, mais a la moitié du poids et de la taille, fait une fraction du bruit et émet au moins 25 % de carbone en moins.

De plus, les PCB sont fabriqués par un processus automatisé, ce qui signifie qu'ils sont beaucoup plus uniformes et fiables que les machines à remontage manuel. Nous les avons encore fiabilisés en simplifiant leur topologie liée aux phases du moteur.

Une phase électrique est une tension alternative qui forme une onde sinusoïdale décalée dans le temps par rapport à la tension dans une autre phase. Les différentes phases sont synchronisées pour que la somme des courants soit toujours nulle. Lorsqu'un système de tension polyphasée est appliqué à un moteur qui a un enroulement séparé pour chaque phase, la circulation de plusieurs courants génère un champ magnétique qui tourne dans l'espace. L'interaction de ce champ tournant et du champ produit par les aimants du rotor est ce qui fait tourner le rotor.

Les stators de PCB précédents mélangeaient les traces de cuivre de différentes phases dans la même couche, ce qui créait un potentiel de courts-circuits. Au lieu de cela, chaque couche ne porte qu'une seule phase électrique et nous minimisons le nombre de connexions entre les couches. Cet agencement fournit un chemin continu pour le courant électrique et réduit le risque de pannes électriques.

Un autre avantage de la nouvelle disposition est la liberté qu'elle donne aux concepteurs de connecter des bobines en série ou en parallèle. La connexion des bobines en série est appropriée pour les applications industrielles triphasées et les véhicules électriques de nouvelle génération. La connexion en parallèle est préférable pour les applications basse tension, comme dans un moteur EV auxiliaire.

Comme les autres moteurs à aimants permanents, notre moteur à flux axial nécessite un variateur de fréquence pour démarrer et accélérer le moteur en douceur jusqu'à la vitesse souhaitée. Le VFD contrôle également la vitesse et le couple selon les besoins de l'application.

Un court chemin pour le flux magnétique est rendu possible en prenant en sandwich des rotors [gris] avec des aimants [rouge et bleu] autour d'un stator de carte de circuit imprimé mince [vert].

Cependant, la conception à noyau d'air donne au moteur une impédance exceptionnellement faible (généralement seulement 5 à 7 % de plus que dans un moteur à noyau de fer conventionnel), car l'air ne peut pas contenir autant d'énergie magnétique que le fer. Il y a donc très peu d'énergie magnétique disponible pour lisser les variations de la tension fournie au moteur par le VFD. Pour remédier à cette lacune, nous avons ajouté un autre élément : un variateur de fréquence intégré qui est réglé avec précision pour fonctionner avec un moteur à faible impédance. Notre VFD utilise des MOSFET en carbure de silicium à haut rendement, qui réduisent les pertes et contribuent à l'efficacité globale du système.

Le VFD surveille également les performances et les résultats peuvent être communiqués via le cloud, si l'utilisateur le souhaite. Le logiciel du moteur peut également être mis à jour de cette manière. Une telle surveillance à distance offre une variété de façons d'économiser l'énergie, de gérer les performances et de prévoir quand une maintenance peut être nécessaire.

La finesse du PCB fournit un rapport surface/volume élevé, ce qui permet un refroidissement plus efficace, nous permettant ainsi de pousser deux à trois fois plus de courant pour une quantité de cuivre donnée. Le refroidissement peut être effectué en soufflant de l'air sur des ailettes à l'extérieur du moteur et à travers les compartiments électroniques.

Le retrait du noyau de fer élimine les pertes dues à la magnétisation et à la démagnétisation cycliques du fer, tout en évitant les courants de Foucault gaspillant de l'énergie dans le métal. Notre moteur à noyau d'air peut ainsi fonctionner avec un rendement élevé sur des charges allant de 25 % à 100 % de la puissance nominale. Sauter le noyau de fer signifie également que les aimants sur les rotors font face à une réticence constante et à un champ magnétique constant lorsque le rotor tourne. Cette disposition élimine les pertes par courants de Foucault dans les aimants et les rotors, qui peuvent donc être constitués de tôles d'acier à faible teneur en carbone standard, non laminées.

Dans un typique moteur électrique, le stator et le rotor sont en matériaux ferromagnétiques. Une fois les courants électriques appliqués et les champs magnétiques tournants établis, ces champs produisent deux forces : une qui produit un couple utile et fait tourner le rotor, et une autre qui tire radialement le rotor vers le stator. Cette force radiale ne fait rien d'utile et aggrave le bruit et les vibrations, car les fentes du stator - nécessaires pour accueillir les bobines de cuivre - génèrent des impulsions.

Voici pourquoi cela se produit : un flux magnétique produit une force qui pointe d'abord dans la même direction que le rotor se déplace ; puis, à mesure que le rotor tourne, l'alignement des pôles du rotor change par rapport aux encoches du stator jusqu'à ce que la force pointe dans la direction opposée. Cette force alternative produit des ondulations de couple, qui peuvent provoquer une fatigue du métal dans le moteur et dans la machinerie qu'il entraîne.

Mais il n'y a pas une telle force magnétique alternative dans le moteur Infinitum. Cet avantage, ainsi que d'autres efficacités, explique pourquoi son bruit est en moyenne d'environ 5 décibels inférieur à celui des moteurs conventionnels. Cela peut ne pas sembler être une grande réduction, mais cette composante du bruit du moteur a tendance à être à un niveau particulièrement gênant.

La conception du moteur est basée sur une carte de circuit imprimé [haut], dont la finesse permet un boîtier bien plus compact qu'un moteur équivalent basé sur un noyau de fer conventionnel [bas].INFINITUM ELECTRIC

En combinant la légèreté d'un moteur à noyau d'air avec la densité de couple élevée d'une machine à flux axial, le moteur Infinitum est bien adapté aux systèmes de ventilation et de CVC des bâtiments. C'est particulièrement utile maintenant que la pandémie a donné la priorité à la purification de l'air intérieur. Les pompes à chaleur, qui chauffent et refroidissent dans un seul système, sont une autre application dans laquelle le moteur peut économiser de l'énergie, faciliter l'installation et réduire le bruit. Selon des tests récents menés par la General Services Administration des États-Unis et le Département américain de l'énergie, les moteurs électriques Infinitum pourraient économiser jusqu'à 8 millions de dollars américains par an s'ils étaient déployés dans les usines HVAC de la GSA.

Les véhicules électriques sont un autre grand marché pour ce nouveau moteur. Les véhicules électriques devraient représenter 31 % de la flotte mondiale d'ici 2050, selon l'US Energy Information Administration.

Notre société travaille avec un équipementier automobile de premier plan pour développer un moteur refroidi à l'huile pour un véhicule hybride à longue autonomie. Le refroidissement par huile fonctionne beaucoup plus efficacement dans notre conception que dans un moteur conventionnel car le liquide de refroidissement peut être facilement appliqué sur toute la surface du PCB. Avec le refroidissement par huile, nous avons triplé la densité de puissance par rapport à notre propre moteur refroidi par air, portant la densité de puissance dans la plage de 8 kilowatt/kilogramme à 12 kW/kg. Cela rend la version refroidie par huile adaptée à une utilisation dans l'aviation électrique, un autre marché prometteur.

Nous travaillons également avec des entreprises spécialisées dans la manutention de matériaux, comme les chariots élévateurs, les systèmes de convoyage et les équipements de mélange utilisés pour fabriquer des aliments et des boissons. Caterpillar Venture Capital a investi dans Infinitum Electric pour développer une nouvelle gamme d'alternateurs dont la taille et le poids sont le tiers de la taille et du poids des modèles existants et qui sont également plus silencieux et plus efficaces. Le marché des alternateurs est estimé à 17 milliards de dollars par an et en croissance.

Nous estimons que si chaque moteur dans le monde était remplacé par un moteur Infinitum Electric, cela réduirait les émissions de carbone de 860 millions de tonnes par an. Cela équivaut à éliminer les émissions de 200 millions de voitures par an. Alors que les moteurs deviennent omniprésents, même de petites améliorations de l'efficacité ont le pouvoir de faire une grande différence pour notre planète aujourd'hui et au cours du siècle prochain.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé d'avril 2022 sous le titre "Ce moteur à flux axial avec un stator PCB est mûr pour un monde électrifié".