Unités d'entraînement intégrées : compromis entre l'enveloppe du stator et la taille du rotor

Les unités d'entraînement intégrées ne pardonnent pas les erreurs de géométrie. Une fois que vous avez figé les proportions du stator et du rotor, vous bloquez la densité de couple, le comportement acoustique, la complexité du refroidissement, la nomenclature et même la façon dont les techniciens de maintenance maudiront l'unité dix ans plus tard. Le logiciel peaufine les détails, mais c'est le métal qui détermine la forme du problème.

Le boîtier système que vous concevez réellement

La plupart des articles consacrés aux EDU traitent des cartes d'efficacité et de la densité de puissance, mais les équipes chargées des véhicules s'intéressent à d'autres chiffres : l'espace entre les essieux, les rails de collision, les points de fixation du sous-châssis et le dégagement du tunnel de batterie. Les analyses des EDU modernes montrent la même tendance : le moteur, la boîte de vitesses et l'onduleur sont dimensionnés ensemble comme un seul objet mécanique, et non comme trois composants distincts qui partagent simplement un arbre.

Cela signifie que le diamètre extérieur du stator et l'enveloppe du rotor ne sont pas des « variables de conception du moteur » isolées. Ils sont en concurrence avec le train d'engrenages, le différentiel et l'onduleur en termes de volume. Les essieux électriques à grande vitesse d'AVL et d'autres fabricants le montrent clairement : ils réduisent considérablement la longueur et le diamètre du rotor, puis compensent cela par une vitesse plus élevée et un rapport de réduction plus important dans le train d'engrenages.

Ainsi, toute discussion sur les compromis liés à la taille des rotors qui ignore le moulage EDU, les angles des demi-arbres ou l'épaisseur des blocs d'onduleurs est déjà incomplète.

D'abord l'emballage du stator ou d'abord la taille du rotor ?

En théorie, vous pourriez partir du couple et de la vitesse de base, choisir une topologie de moteur, puis laisser le logiciel de CAO déterminer où placer tous les autres éléments. Dans un programme réel, cela se passe souvent dans l'autre sens. Les points d'ancrage de la caisse en blanc vous donnent un « cylindre de délimitation » du moteur entre les demi-arbres et la face de l'onduleur. La boîte de vitesses veut sa propre part de cet espace. Les ingénieurs thermiques revendiquent ensuite l'épaisseur des parois et les galeries d'huile. Ce n'est qu'après cette lutte acharnée que vous découvrez quel diamètre de rotor et quelle longueur de pile il reste réellement.

Le moteur compact de Lucid en est un bon exemple : le rotor, le stator, le système de refroidissement et le train planétaire sont étroitement imbriqués, le différentiel étant intégré dans l'arbre du rotor. Le moteur ne peut pas s'allonger axialement, car le train d'engrenages doit rester aligné ; il ne peut pas s'allonger radialement, car le boîtier doit rester entre les éléments de suspension.

Donc, pour être honnête, ni le stator ni le rotor ne viennent vraiment en premier. C'est l'enveloppe EDU qui vient en premier, et la géométrie du rotor/stator est ce que vous devez résoudre pour que cette enveloppe fonctionne électriquement, thermiquement et mécaniquement.

Diamètre du rotor par rapport à sa longueur : la lutte silencieuse à l'intérieur du boîtier

Tout le monde dans ce domaine connaît les proportions de base. Le couple est proportionnel au rayon de l'entrefer, à la longueur axiale et à la contrainte de cisaillement. Il est tentant de rechercher le couple maximal en augmentant simplement le diamètre du rotor jusqu'à ce que le boîtier se déforme. Cela fonctionne pendant un certain temps. Puis, les problèmes apparaissent.

Un diamètre plus grand augmente la vitesse périphérique du rotor pour un régime mécanique donné. La contrainte centrifuge dans le manchon et les aimants augmente avec le carré de la vitesse, de sorte que les marges de sécurité mécaniques diminuent rapidement dès que vous dépassez un certain rayon pour un régime maximal donné. Les études sur les arbres à grande vitesse et les nouveaux concepts de refroidissement des rotors soulignent les efforts considérables qui sont actuellement déployés pour gérer ces contraintes et ces températures dans les machines électriques compactes.

D'autre part, les rotors longs et minces posent leurs propres problèmes. Ils augmentent les modes de flexion, peuvent amplifier les excitations dues à l'engrènement des engrenages dans les EDU et deviennent gênants du point de vue de la tolérance d'empilement. Les articles sur le NVH des essieux électriques montrent comment les modes de l'arbre et du rotor s'associent à la dynamique du boîtier et des engrenages d'une manière qui n'est pas favorable au silence dans l'habitacle, en particulier lorsque la vitesse du moteur atteint plusieurs dizaines de milliers de tours par minute.

Tout cela s'ajoute à l'évidence : le diamètre influe sur la longueur du chemin du cuivre dans le stator, la densité de flux des dents du stator et la quantité de fer nécessaire dans la culasse. La longueur influe sur la proportion d'enroulement d'extrémité, les chemins de fuite axiaux et parfois la distribution du refroidissement. Vous connaissez déjà les équations ; ce qui importe dans un EDU, c'est la manière dont ces effets électromagnétiques interagissent avec la coulée, les engrenages et l'huile.

Une manière concise d'envisager les choix géométriques du rotor

Voici une façon de résumer les décisions géométriques auxquelles vous revenez sans cesse dans les unités intégrées :

Le problème n'est pas qu'une ligne soit « juste ». C'est qu'une fois que vous avez choisi un parti pris, toute une série de décisions secondaires deviennent presque obligatoires.

Boîtier du stator, fentes et onduleur situé juste à côté

Les machines électriques modernes utilisent des technologies de stator déjà bien connues : stators à épingle à cheveux ou à barres pour un remplissage élevé des encoches, noyaux de stator segmentés, enroulements concentrés dans certaines conceptions. Mais lorsque le moteur se trouve à l'intérieur d'une unité de commande électronique (EDU), ces choix ne sont plus uniquement électromagnétiques.

Les stators segmentés avec des enroulements concentrés à fentes fractionnées sont intéressants car ils simplifient la fabrication, permettent un remplissage élevé des fentes et peuvent intégrer des canaux de refroidissement dans chaque segment. Les travaux du DOE et d'autres organismes montrent que ces concepts permettent d'atteindre des objectifs ambitieux en matière de densité de puissance grâce à un refroidissement intégré. Cependant, les joints des segments, les caractéristiques supplémentaires des plaques d'extrémité et le routage complexe du liquide de refroidissement occupent tous de l'espace qui aurait pu être utilisé pour le rayon du rotor ou les éléments de la boîte de vitesses.

Les enroulements en épingle à cheveux, tels qu'utilisés dans les moteurs de série comme celui de l'Ampera-e, exploitent efficacement la surface des encoches du stator et s'adaptent parfaitement à la fabrication automatisée. Dans un EDU, cependant, les extrémités en épingle à cheveux nécessitent de l'espace axial. Cela augmente la longueur axiale du moteur ou réduit la longueur du train d'engrenages. Cela crée également des zones de cuivre denses à des endroits où le refroidissement et le routage des barres omnibus sont déjà encombrés.

L'emballage de l'onduleur renvoie alors l'information suivante : des modules de puissance et des barres omnibus plus épais peuvent entraîner un diamètre extérieur plus important du stator ou forcer le moteur à se déplacer par rapport à l'engrenage, ce qui peut modifier l'emplacement où vous êtes autorisé à placer les épaulements des roulements et les supports du rotor. La conversation sur la géométrie se répète.

NVH, modes et bruits qui n'apparaissent pas dans la fiche technique

Les EDU sont jugées par les clients davantage à l'oreille qu'à l'aide de graphiques FFT. Et la géométrie du rotor/stator est très perceptible à l'oreille.

Le diamètre et la longueur du rotor modifient la rigidité et la masse de l'ensemble rotatif, et donc les modes de flexion et de torsion de l'arbre. Lorsque cela interagit avec les fréquences d'engrènement des engrenages et les harmoniques de commutation de l'onduleur, il peut en résulter un bruit tonal qu'aucun filtre logiciel ne peut vraiment éliminer. Les études axées sur le NVH des essieux électriques mettent l'accent sur la co-conception précoce entre les forces électromagnétiques, les modes structurels et la dynamique des engrenages, plutôt que sur des corrections tardives.

La géométrie du stator a également son importance : des dents étroites et un nombre élevé de fentes modifient les nombres d'ondes de force et peuvent déplacer l'excitation dominante vers des zones moins sensibles des fonctions de transfert acoustique de la cabine. Mais un nombre très élevé de fentes augmente la complexité de fabrication et peut entrer en conflit avec les règles d'emballage pour les épingles à cheveux ou les joints segmentés. Encore une fois, il s'agit de compromis, et non de gains gratuits.

Réalité du refroidissement à l'intérieur d'une unité intégrée

Si l'on examine les stratégies actuelles de refroidissement des moteurs électriques, une tendance se dégage. L'huile ou le fluide diélectrique refroidit souvent le rotor et le stator, puis transfère la chaleur à un circuit eau-glycol, puis à un radiateur. Le circuit d'huile partage l'espace avec les engrenages, les roulements et les joints, ainsi qu'avec tout ce dont l'équipe chargée de la transmission a besoin pour la lubrification et le contrôle des pertes par agitation.

Les analyses et les guides de sélection en matière de refroidissement soulignent désormais qu'il faut considérer le rotor, le stator, le boîtier et même l'onduleur comme un seul et même objet thermique. Un rotor épais avec une densité de perte élevée peut être acceptable sur le plan électromagnétique, mais vous obligera à recourir à un système complexe de refroidissement par liquide canalisé à travers l'arbre ou à des jets d'huile très agressifs, ce qui augmente la puissance de la pompe et le risque lié à la conception. Un rotor long et mince répartit les pertes dans le sens axial, mais peut nécessiter des boîtiers plus longs et une plus grande surface pour le même débit de liquide de refroidissement, ce qui n'est pas gratuit non plus.

Le stator interagit avec cela. Les chemises internes, les canaux intégrés dans les segments du stator et le refroidissement direct des enroulements d'extrémité nécessitent tous des éléments moulés ou des inserts. Ces éléments occupent un espace radial et axial qui aurait pu être utilisé pour le rayon du rotor ou la largeur de la face de l'engrenage.

Des heuristiques de conception qui aident réellement dans la salle de réunion

Les outils formels d'optimisation multi-domaines sont utiles, et les travaux récents sur la co-optimisation intégrée des essieux électriques avec l'apprentissage automatique sont impressionnants. Mais les équipes d'ingénieurs continuent de prendre leurs premières décisions en se basant sur des modèles simples.

Un modèle : commencez par le véhicule et la boîte de vitesses, et non par le moteur. Définissez l'enveloppe extérieure maximale autorisée pour l'EDU, la stratégie de réduction du rapport de transmission et le volume du bloc onduleur. Vous obtenez ainsi un « cylindre budgétaire » pour le moteur. Dans les limites de ce budget, choisissez une plage de vitesse de rotor qui correspond aux matériaux magnétiques disponibles, à la technologie de confinement et aux attentes du client en matière de NVH.

Une fois la bande de vitesse convenue, utilisez le diamètre du rotor comme unité commune entre les équipes électromagnétiques, mécaniques et thermiques. Chaque millimètre supplémentaire de diamètre doit apporter un avantage clair et quantifiable en termes de densité de couple ou de réduction des pertes, et son prix doit être visible dans le confinement, la vitesse périphérique et le brassage de l'huile. La longueur axiale devient alors la variable qui maintient l'efficacité tout au long du cycle d'entraînement à un niveau raisonnable, plutôt qu'une dérive silencieuse à chaque révision de la conception.

Deuxième modèle : traiter les caractéristiques d'emballage du stator comme des postes distincts dans le même budget. Si des stators segmentés ou des chemises de refroidissement complexes sont proposés, exiger une justification explicite en termes de coût de fabrication, de stratégie de réparation ou d'amélioration mesurée de l'efficacité ou de la densité de puissance sur un cycle de conduite réaliste, et pas seulement à la puissance maximale. Sinon, ce matériau ne fait qu'occuper de l'espace sur le rotor sans apporter de gain clair.

Prochains changements : matériaux, vitesses et astuces d'intégration

Le secteur commercial n'est pas statique. L'examen des développements récents en matière de moteurs de traction montre un intérêt croissant pour les vitesses mécaniques plus élevées, les matériaux non traditionnels pour les rotors et les concepts à rotors multiples ou à flux axial afin d'augmenter la densité de puissance sans simplement augmenter le diamètre.

Les manchons de rotor renforcés en fibre de carbone et même les corps de rotor structurels passent du stade des articles de recherche à celui des prototypes sérieux, offrant un meilleur confinement à des vitesses périphériques élevées et ouvrant la voie à des diamètres de rotor plus agressifs dans des boîtiers compacts. Les architectures multi-stators et multi-rotors permettent d'empiler des étages produisant du couple sans augmenter le diamètre extérieur, au prix d'une complexité mécanique et parfois d'une croissance axiale.

Du côté du stator, les nouvelles configurations de refroidissement et les concepts intégrés de moteur-onduleur font disparaître progressivement l'image traditionnelle du « moteur avec des éléments boulonnés ». Les conceptions intégrées qui enveloppent l'onduleur autour ou à l'intérieur du boîtier du moteur modifient la direction dans laquelle vous pouvez vous développer, ainsi que l'ampleur de cette croissance, et elles modifient également la destination réelle de la chaleur.

La taille du rotor et le conditionnement du stator restent donc les deux principaux leviers pour la densité de puissance et la compacité des EDU, mais la gamme de matériaux et d'outils d'intégration qui les entourent ne cesse de s'élargir. C'est une bonne nouvelle, mais cela signifie également que les anciennes règles empiriques doivent être régulièrement vérifiées à la lumière des nouvelles données.

Alors, où cela mène-t-il un concepteur EDU ?

Si vous êtes responsable d'une unité d'entraînement intégrée, vous décidez en réalité quelle part de votre enveloppe limitée est consacrée au rayon du rotor, quelle part à la longueur axiale et quelle part au cuivre, à l'acier, à la structure de refroidissement, à l'engrenage et à l'onduleur du stator. Chaque millimètre a une fonction.

La solution pratique consiste à expliciter ces tâches. Reliez le diamètre du rotor, la longueur du rotor et les choix d'emballage du stator à des mesures concrètes du système : pas seulement la puissance maximale en kW ou le couple maximal en Nm, mais aussi le rendement du cycle de conduite, la puissance de la pompe, les objectifs acoustiques, la complexité de l'assemblage, les émissions de CO₂ par unité et la stratégie de maintenance. Utilisez des modèles et des données de test pour vérifier que vous ne faites pas simplement passer le problème de l'électromagnétisme au NVH ou du refroidissement à la fabrication.

Faites cela de manière cohérente, et les « compromis liés à la taille du rotor » cesseront d'être un sujet abstrait dans la conception des moteurs. Ils deviendront un langage commun à toute l'équipe EDU, où chacun pourra comprendre pourquoi le moteur est exactement aussi gros, aussi long et aussi complexe qu'il l'est finalement.