Ma plongée en profondeur : Perte de noyau par hystérésis dans les moteurs à induction - Lamination SMC vs. acier

L'un des grands consommateurs d'énergie que je découvre fréquemment est la perte de noyau. La perte d'hystérésis en est un élément important. Elle peut vraiment nuire au bon fonctionnement d'un moteur à induction. Cette perte transforme l'énergie électrique utile en chaleur perdue.

Dans ce message, je souhaite partager ce que j'ai découvert au sujet de cette difficile perte par hystérésis. Nous examinerons les anciennes méthodes éprouvées pour l'éliminer, comme l'utilisation d'une tôle d'acier dans le noyau du moteur. Ensuite, nous explorerons des idées plus récentes, comme les matériaux composites magnétiques doux (SMC). Le choix entre le SMC et la tôle d'acier est-il évident ? Vous découvrirez ce qui convient le mieux à la configuration de votre moteur. Plus important encore, vous comprendrez pourquoi cela est important pour économiser de l'énergie et structurer des équipements électriques de bien meilleure qualité. Cet article vaut la peine d'être lu si vous voulez vraiment comprendre l'efficacité des moteurs et les matériaux qui la rendent possible.

Qu'est-ce que la perte par hystérésis dans un moteur à induction ?

Voici comment cela se passe. Le matériau magnétique à l'intérieur d'un moteur à induction doit changer de direction magnétique très rapidement. Cela se produit souvent en une seconde. Cette commutation rapide permet au stator et au rotor de travailler ensemble pour faire tourner le moteur. Cependant, cette commutation n'est pas tout à fait fluide ou facile pour le matériau magnétique. Le matériau résiste un peu à cet ajustement. Cette résistance, ce "frottement magnétique", crée de la chaleur. Cette chaleur est un gaspillage d'énergie. Nous appelons ce gaspillage de puissance spécifique la perte d'hystérésis. Il s'agit d'une partie essentielle de ce que nous appelons la perte de fer dans tout type de machine électrique.

La perte d'hystérésis a été un facteur déterminant. Le matériau magnétique du noyau du stator ne pouvait tout simplement pas rester à jour avec les changements magnétiques rapides sans se battre. Ce combat, ce retard dans la réaction, est appelé "hystérésis". Elle se produit dans la composante magnétique du moteur. Plus la densité du flux magnétique varie dans un sens ou dans l'autre, plus la perte d'hystérésis est importante. Pour fabriquer de bons moteurs électriques, il faut trouver des moyens de réduire cette perte.

Et qu'en est-il de la perte totale de noyau ? S'agit-il d'un problème majeur pour un moteur ?

Oui, les pertes dans le noyau sont une aubaine pour n'importe quel type de moteur ! La perte par hystérésis en est une composante, comme nous venons de le voir. L'autre composante importante est ce que l'on appelle la perte par courant de Foucault. Lorsque vous mettez ces deux éléments ensemble - pertes par hystérésis et par courant de Foucault - ils constituent la perte totale du noyau. Vous pouvez également entendre parler de perte de fer. Cette perte se produit dans les composants en fer du moteur, tels que l'arbre de transmission. noyau du stator et parfois le rotor. Cela transforme une excellente énergie électrique en un travail de rotation chaud et peu utile. Par conséquent, un moteur présentant des pertes élevées au niveau du noyau n'est pas un moteur fiable.

Dans certains cas, la perte de noyau peut consommer une grande partie de l'électricité. Cela signifie que vous finissez par payer beaucoup plus d'électricité pour accomplir la même tâche. Le moteur devient également plus chaud à cause de cette énergie gaspillée. Un moteur plus chaud peut avoir une durée de vie beaucoup plus courte. Il peut également nécessiter des systèmes de refroidissement plus importants et beaucoup plus coûteux. Il est donc essentiel pour toute personne qui fabrique ou utilise une machine électrique de trouver des méthodes pour réduire la perte de puissance. C'est particulièrement vrai lorsque vous visez un rendement élevé dans vos objectifs d'efficacité du moteur.

Pourquoi utiliser le pelliculage dans les moteurs ?

Nous utilisons le laminage dans un moteur principalement pour lutter contre cette composante de la perte de noyau : la perte par courants de Foucault. Imaginez que le stator d'un moteur soit constitué d'un solide morceau de fer. Lorsque le champ électromagnétique à l'intérieur du moteur s'ajuste (ce qu'il fait constamment lorsqu'il fonctionne), il crée des courants de Foucault à l'intérieur de ce solide morceau de fer. Ce sont les courants de Foucault. Considérez-les comme de petits tourbillons d'énergie électrique. Ils ne font aucun travail bénéfique. Ils tournent simplement à l'intérieur du fer et produisent de la chaleur. Le laminage est une technique créative qui permet d'arrêter ces courants.

Une tôle est une feuille extrêmement fine d'acier électrique. Pour fabriquer le noyau d'un stator, nous empilons plusieurs de ces feuilles minces. Le plus important, c'est qu'il y a un tout petit peu d'isolant entre chaque feuille de tôle. Cet isolant sépare les cours de ces courants de Foucault importants et inefficaces. Ainsi, au lieu d'avoir de gros tourbillons de courant qui créent beaucoup de pertes par courants de Foucault, on a des tourbillons beaucoup plus petits. Ces petits tourbillons causent beaucoup moins de difficultés et réduisent considérablement la chaleur des courants de Foucault. C'est une façon extrêmement courante de construire le stator dans de nombreux moteurs électriques. Le style de la stratification elle-même est la clé de la réussite de cette méthode.

Comment le laminage conventionnel de l'acier contribue-t-il à la perte de noyau dans un moteur à induction ?

Conventionnel laminage de l'acier est très efficace pour réduire les pertes dues aux courants de Foucault dans un moteur à induction. En utilisant des feuilles minces d'acier électrique spécial, nous rendons très difficile la circulation de ces courants de Foucault importants. C'est une grande victoire pour la réduction d'une composante de la perte du noyau. Pour ce qui est de la perte par hystérésis, le type d'acier électrique utilisé pour le laminage a son importance. Certains aciers sont fabriqués de manière à ce que leurs minuscules domaines magnétiques puissent changer de direction plus rapidement. Cela se traduit par une résistance beaucoup plus faible, et donc par une perte d'hystérésis beaucoup plus faible.

Cependant, le laminage n'est pas la solution parfaite à toutes les pertes du noyau. Il y a toujours une perte par hystérésis dans l'acier électrique lui-même, quelle que soit sa qualité. De plus, si les tôles ne sont pas complètement protégées les unes des autres, ou si elles sont endommagées par l'assemblage du coaxial, les courants de Foucault peuvent encore trouver des chemins pour circuler et causer des problèmes. De même, un aspect important du laminage est qu'il fait en sorte que le flux magnétique (la puissance magnétique) souhaite se déplacer principalement le long du plan horizontal des feuilles de laminage. Cela peut limiter certaines configurations de moteurs, en particulier si vous avez besoin de flux magnétiques complexes allant dans toutes les directions. Ces noyaux en acier laminé sont utilisés dans plusieurs dispositifs IRM aujourd'hui.

Qu'est-ce que les composites magnétiques souples (SMC) ? Un nouvel acteur dans les produits pour moteurs ?

Parlons maintenant des composites magnétiques souples, ou SMC. Il s'agit d'un nouveau type de matériau magnétique pour les moteurs. Ils sont assez différents des tôles d'acier laminées conventionnelles que nous venons de voir. Imaginez que les matériaux SMC sont constitués de zillions de minuscules particules de fer. Chacune de ces minuscules particules de fer est recouverte d'une couche super, super fine d'isolation électrique. Ensuite, toutes ces couches sont pressées ensemble de manière extrêmement serrée. Ils sont poussés dans un moule et moisis pour créer une forme solide, comme le noyau d'un stator pour un moteur. Ce processus permet d'obtenir une bonne densité.

Les gens étaient très enthousiastes à l'idée de ces possibilités. Comme chaque petit bit est protégé de ses voisins, les SMC sont naturellement très efficaces pour arrêter les courants de Foucault. La perte due aux courants de Foucault peut être très faible dans un noyau SMC, en particulier lorsque le moteur tourne à grande vitesse ou à haute fréquence. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la conception des moteurs, en particulier pour les moteurs évolués qui doivent fonctionner d'une manière différente des moteurs plus anciens. Ces matériaux composites utilisent de nouveaux moyens pour concevoir la fabrication d'un composant magnétique d'une machine électrique. Les applications du SMC sont de plus en plus nombreuses.

Comment les produits SMC traitent-ils différemment la perte par hystérésis dans un moteur à induction ?

Les matériaux SMC gèrent les pertes par hystérésis dans un moteur à induction de différentes manières, et c'est un peu différent. Les particules de fer utilisées pour fabriquer les composites magnétiques doux (SMC) sont choisies pour être "douces" d'un point de vue magnétique. Cela signifie que leur direction magnétique intérieure peut s'inverser beaucoup plus facilement. Lorsque l'inversion est beaucoup plus facile, la perte d'hystérésis est réduite. C'est l'aspect le plus intéressant. Néanmoins, la procédure de fabrication des SMC implique de pousser ces particules avec beaucoup de pression. Cette pression peut souvent ajouter un peu de stress et d'anxiété aux minuscules particules. Ce stress peut, malheureusement, augmenter légèrement la perte d'hystérésis.

Ainsi, en ce qui concerne la perte par hystérésis, il s'agit souvent d'un compromis avec les matériaux SMC. La très petite dimension du bit et l'isolation sont excellentes pour réduire la perte totale de fer, en particulier la composante de perte par courants de Foucault. Cependant, la densité d'un noyau SMC est généralement légèrement inférieure à celle d'un noyau fabriqué à partir de tôles d'acier électrique résistantes. Cette densité plus faible peut suggérer que la performance magnétique n'est pas aussi forte. Il se peut que vous ayez besoin d'un peu plus de matériau SMC pour transporter la même quantité de puissance magnétique. Cela peut avoir un impact indirect sur l'image de la perte d'hystérésis. Une conception optimale du moteur doit stabiliser ces facteurs. Les concepteurs utilisent généralement des outils informatiques tels que l'analyse par éléments finis (FEA) pour étudier ces facteurs et optimiser le choix des matériaux magnétiques.

Lamination SMC vs. acier : Quelle est la véritable comparaison pour les moteurs à induction ?

Lorsque l'on compare directement le laminage SMC et le laminage acier pour les moteurs à induction, les choses deviennent très fascinantes. Pour de nombreux moteurs à induction de base qui fonctionnent à des fréquences assez basses (comme les 50 ou 60 fois par seconde de votre prise murale), la bonne vieille tôle d'acier électrique est généralement plus performante que la perte d'hystérésis. L'acier électrique spécial utilisé dans le laminage est extrêmement raffiné et traité pour avoir une perte d'hystérésis très faible à ces vitesses. Les SMC, en revanche, ont tendance à révéler leurs plus grands avantages lorsque les régularités de fonctionnement sont plus importantes. En effet, leur superpouvoir est de réduire considérablement la perte par courants de Foucault, qui devient un problème important à des vitesses élevées.

Ainsi, le meilleur choix dans cette comparaison dépend vraiment du moteur à induction en question et de la manière dont il est utilisé. Dans plusieurs types de moteurs électriques à induction typiques, les champs magnétiques dans le stator changent à ce que nous appelons la fréquence de ligne. À ces vitesses relativement réduites, la perte par hystérésis, qui fait partie de la perte totale du noyau, peut être beaucoup plus importante que la perte par courants de Foucault, en particulier si le noyau en acier laminé est de bonne qualité. Dans ces cas, le matériau composite magnétique doux peut en fait présenter une perte d'hystérésis un peu plus élevée. Mais aussi pour certaines conceptions spéciales de moteurs à induction, ou pour les moteurs électriques qui doivent tourner extrêmement, très rapidement, les SMC pourraient être les vainqueurs. Souvent, un document technique fournit une évaluation comparative complète pour des fabricants particuliers en procédant de la sorte.

Le SMC peut-il réduire la perte de noyau plus que l'acier laminé dans un moteur ?

C'est la grande question que tout le monde se pose : le matériau SMC peut-il minimiser les pertes globales du noyau plus que l'acier laminé dans un moteur ? La réponse exacte est : "cela dépend". Les composites magnétiques souples (SMC) sont certainement excellents pour réduire les pertes dues aux courants de Foucault. Si la configuration de votre moteur est telle que la perte par courant de Foucault est la principale cause de difficulté, l'utilisation d'un noyau SMC peut permettre de réduire considérablement la perte totale du noyau. C'est souvent le cas pour les moteurs électriques à grande vitesse ou pour les moteurs électriques qui ont des trajectoires de flux magnétiques tridimensionnelles (3D) très complexes. Il s'agit de parcours pour lesquels il est difficile, voire impossible, d'utiliser efficacement les feuilles de laminage typiques.

Néanmoins, si la perte par hystérésis est la composante la plus importante de votre problème de perte dans le noyau (ce qui peut se produire dans les moteurs à faible vitesse), le laminage électrique en acier de pointe pourrait être la meilleure option pour réduire la perte de fer. Une autre chose à garder à l'esprit est que la densité du SMC est normalement inférieure à celle d'une tôle d'acier solide. Cela peut signifier que ses performances magnétiques (la quantité de puissance magnétique qu'il peut supporter pour sa dimension) sont un peu réduites, à moins que le moteur n'ait été soigneusement développé pour cela. Il n'est donc pas possible de remplacer un noyau de stator en acier laminé par un noyau en SMC et de s'attendre à de la magie. Vous devez optimiser l'ensemble de la configuration du moteur - y compris le stator et le rotor - pour le matériau magnétique choisi. L'utilisation des résultats de simulation de l'analyse par éléments finis (FEA) est cruciale ci-dessous.

Y a-t-il des inconvénients à utiliser le SMC dans le noyau d'un moteur à induction ?

Oui, comme pour tout type de produit, il y a des points à surveiller si vous envisagez d'utiliser un composite magnétique doux (SMC) dans un noyau de moteur à induction. L'un des facteurs essentiels est que les produits SMC ont généralement une valeur de saturation réduite pour la densité du flux magnétique par rapport à l'acier électrique de première qualité. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas transporter autant de "puissance" magnétique dans la même quantité d'espace avant d'être "complets". Si vous n'en tenez pas compte dans votre style et votre optimisation, cela peut signifier que le moteur doit être un peu plus grand ou qu'il n'est pas aussi puissant. La résistance mécanique des SMC peut également être inférieure à celle de l'acier, ce qui peut avoir son importance dans certaines applications de moteurs.

Un autre élément à prendre en considération est le coût et le mode de fabrication des pièces. Si les SMC permettent d'obtenir des formes 3D très tendance et complexes pour le noyau du stator - ce qui peut être un gros avantage pour certaines topologies de moteur comme les machines à aimant permanent à flux axial (AFPM) ou les conceptions visant à minimiser l'ondulation du couple - le produit SMC lui-même et la procédure de fabrication du noyau SMC peuvent être beaucoup plus coûteux pour certains types de moteurs électriques ou certaines quantités de fabrication. La densité plus faible signifie également que vous pourriez avoir besoin d'un peu plus de matériau SMC en poids ou en volume pour effectuer la même tâche magnétique que beaucoup moins de fer dans un stator en acier. Il est nécessaire de réfléchir à l'ensemble de la conception et de la procédure de fabrication. La fiabilité de ces nouveaux matériaux et stratégies de fabrication est également un sujet d'étude permanent pour l'efficacité du SMC.

Alors, quand dois-je envisager de faire appel à SMC pour l'implantation de mon moteur ?

Tout d'abord, si vous fabriquez des moteurs électriques à haut rendement et à grande vitesse, les SMC sont un concurrent de taille. Leur capacité à réduire considérablement les pertes dues aux courants de Foucault à haute fréquence est un avantage considérable. Cela permet d'améliorer les performances du moteur. Deuxièmement, si votre type de moteur nécessite des chemins de flux magnétiques 3D difficiles - des formes qui sont vraiment difficiles ou encombrantes à réaliser avec une tôle d'acier plate - l'application des SMC est alors une excellente idée. C'est souvent le cas dans certains types de machines à aimant permanent à flux axial (AFPM), de machines à aimant permanent à commutation de flux (FSPM) ou de concepts spécialisés tels que les moteurs sans yok et à fente fractionnée. Les moteurs SMC peuvent permettre ces options topologiques uniques.

De plus, si vous découvrez des méthodes de fabrication innovantes telles que la production additive pour vos composants magnétiques, les matériaux composites de type SMC pourraient constituer un élément important de cet avenir. Pour les conceptions de moteurs synchrones à aimants permanents, ou même de moteurs à courant continu sans balais à aimants permanents, pour lesquels vous souhaitez vraiment maximiser des éléments tels qu'un couple de cogging extrêmement faible ou un couple de sortie régulier (ondulation de couple réduite), les SMC offrent aux ingénieurs une toute nouvelle liberté de conception pour le stator. Utilisez constamment des systèmes informatiques puissants tels que l'analyse par éléments finis (FEA) pour effectuer une évaluation relative basée sur certains paramètres de configuration. Pensez à la performance totale du dispositif, à l'analyse thermique DUC, au facteur de puissance et à son influence sur l'efficacité du moteur. Il s'agit de trouver l'option optimale pour différentes applications, peut-être aussi pour un camion électrique où une densité de couple élevée et la fiabilité sont vitales. Cette recherche vise à vous aider à faire ce choix. Les résultats montrent qu'une conception et une optimisation minutieuses sont cruciales.