Moteurs EC : Exploration des facteurs déterminant l'efficacité

Vous le voyez partout. Les voitures électriques sont de plus en plus présentes dans votre quartier, le gouvernement américain incite les propriétaires à améliorer l'efficacité énergétique de leurs climatiseurs et même de leurs ampoules. La course à la normalisation des pratiques d'efficacité énergétique est lancée. Les systèmes à moteur électrique (EMDS) constituent la plus grande source d'utilisation d'électricité au monde. Une étude réalisée en 2019, intitulée "The U.S. Industrial and Commercial Motor System Market Assessment Report", a révélé que les moteurs électriques triphasés de plus d'un cheval-vapeur utilisés dans les applications industrielles et commerciales représentent 29 % de la charge totale du réseau électrique des États-Unis, sans même tenir compte de l'impact des unités de puissance fractionnée. Bien qu'il s'agisse encore d'un pourcentage important, les progrès technologiques et l'augmentation des financements ont entraîné une baisse de 19,4 % de la consommation d'énergie des moteurs électriques dans les deux secteurs depuis 1996. Mais il ne s'agit là que des États-Unis. Dans une perspective mondiale, les études les plus récentes indiquent que le pourcentage de la consommation d'électricité s'élève à près de 40 %.

Actuellement, les moteurs à condensateur permanent divisé (PSC) dominent le marché. On les trouve couramment dans les compresseurs de réfrigérateurs, les machines de bureau et les équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation. En tant que type de moteur à courant alternatif monophasé, le CSP se compose d'un moteur et d'un rotor à cage, qui fonctionne à une vitesse constante et ne peut pas contrôler sa puissance électrique. Cela se traduit naturellement par une perte importante d'efficacité. Cependant, leur conception de base et leur faible prix les rendent attrayants pour les fabricants qui ont le coût à l'esprit.

Toutefois, le moteur PSC est aujourd'hui confronté à une bataille difficile, car son cousin plus joli et plus sympathique, le moteur à commutation électrique (EC), se fraye un chemin dans le cœur des fabricants du monde entier. Un moteur à commutation électrique est une version d'un moteur à courant continu sans balais (BLDC), dans lequel un rotor magnétique permanent et des pôles de stator enroulés sont utilisés. Ils se distinguent des autres moteurs BLDC par l'utilisation d'un circuit microprocesseur intégré permettant de contrôler la vitesse et le couple. Ils sont complexes, très efficaces et produisent peu de bruit. La mise en garde : cette technologie plus récente et l'exigence d'un moteur et d'un contrôleur augmentent le coût.

Mais il y a de l'espoir ! Comme pour toute nouvelle technologie, avec le temps, les ingénieurs deviennent plus innovants et trouvent des méthodes révolutionnaires pour réduire les coûts, sans sacrifier les avantages qui rendent cette technologie si attrayante au départ. En outre, les moteurs électriques suivent les principes de la loi de Moore, selon laquelle plus une nouvelle technologie gagne en popularité, plus son prix diminue. Vous souvenez-vous de l'époque où un écran plat à LED coûtait 8 000 dollars ? Aujourd'hui, ce même téléviseur pourrait ne vous coûter que quelques centaines de dollars. La baisse du coût des moteurs électriques ouvrira de grandes perspectives en termes d'impact sur l'environnement et de coût d'exploitation.

Comment détermine-t-on le rendement d'un moteur électrique ?

Le rendement d'un moteur peut être décomposé en deux facteurs principaux : la perte dans le noyau et la perte dans le bobinage. Pour optimiser l'application en termes de coût et d'efficacité, les ingénieurs doivent s'assurer que la conception électromécanique équilibre ces pertes. Cela dépend de la fréquence, de la charge magnétique et de la sélection des matériaux (pour n'en citer que quelques-uns).

Explication de la perte de noyau

Qu'est-ce que la perte dans le noyau ? Il s'agit de la perte de chaleur qui se produit dans un noyau magnétique en raison de l'alternance de l'aimantation. Pourquoi est-ce important ? Cette chaleur est dissipée dans le milieu environnant, ce qui réduit l'efficacité du moteur. Pour simplifier, moteur électrique + chaleur = inefficacité du moteur, et c'est exactement ce que vous essayez d'éviter. Les pertes de noyau peuvent être divisées en deux catégories : les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault. Les pertes par hystérésis se produisent lorsqu'un champ magnétique traverse un matériau. Le matériau est alors magnétisé puis démagnétisé, ce qui libère de l'énergie sous forme de chaleur. Cette chaleur est dissipée sous forme de pertes dans le noyau. Les pertes par courants de Foucault se produisent lorsqu'un champ magnétique traverse le matériau. Cela entraîne la formation de courants dans le matériau, qui libèrent également de la chaleur de la même manière.

Une fois la fréquence et la charge magnétique sélectionnées, l'ampleur des pertes dans le noyau d'un moteur à courant alternatif dépend du matériau utilisé pour le noyau. Par exemple, la tendance la plus récente dans la conception des moteurs est de réduire l'épaisseur de la stratification, ce qui diminue les pertes dans le noyau, mais cela nécessite un traitement plus poussé du matériau, ce qui augmente le coût.

Qu'est-ce que la perte de bobinage ?

La perte de bobinage se produit lorsque des courants électriques traversent les bobines du moteur. Cela les fait chauffer et, comme nous l'avons vu pour la perte de noyau, l'énergie est libérée sous forme de chaleur. Le but de ces bobines est de générer le flux magnétique qui pousse et tire les aimants et le rotor, créant ainsi un couple. La gravité de la perte de bobinage dépend du matériau utilisé, qui est généralement un choix entre le cuivre et l'aluminium. Ce choix doit être pris en compte dès le début du processus de conception, car la plupart des conceptions ne tiennent pas compte du compromis coût/efficacité entre les deux matériaux.

Bobinages en aluminium ou en cuivre - le grand débat

Qui règne en maître, le cuivre ou l'aluminium ? C'est un sujet qui a été largement débattu depuis les années 1960, lorsque les fils de boîtier en aluminium ont été considérés comme un risque d'incendie, bien que nous ayons appris depuis que le matériau lui-même n'était pas le problème, mais les connexions. Des décennies plus tard, en raison de la dégradation injustifiée de sa réputation, le câblage en aluminium dans de nombreuses autres applications a tendance à susciter des hésitations. Cependant, les ingénieurs ont poursuivi leurs recherches pour déterminer si la qualité et les performances des bobinages en aluminium dans les moteurs à courant alternatif peuvent être comparées à celles du cuivre.

La résistivité de l'aluminium est supérieure de plus de 50 % à celle du cuivre, ce qui signifie que pour un fil de même taille, un enroulement en aluminium aura une résistance 50 % plus élevée et des pertes 50 % plus importantes. Cependant, l'aluminium est presque 3,5 fois moins cher que le cuivre en termes de masse. L'aluminium étant beaucoup moins dense, le même enroulement qui présente des pertes 50 % plus élevées sera 10 fois moins cher sur la base de l'ensemble des matériaux. Il est essentiel de trouver un équilibre entre les pertes de l'enroulement et cette diminution potentielle des coûts des matériaux.

La ligne de fond

En fin de compte, l'efficacité d'un moteur électrique est plus complexe que la simple sélection des matériaux, même si celle-ci joue un rôle majeur. Grâce à une conception innovante et à une ingénierie créative, il est possible de faire correspondre la puissance d'un moteur bobiné en cuivre à celle d'un moteur bobiné en aluminium. Nous avons vu de nouvelles technologies produire des niveaux d'efficacité comparables, mais là où ces produits diffèrent, c'est au niveau de leur coût, le cuivre étant nettement plus cher. Le rendement maximal absolu vaut-il le coût supplémentaire ? Peut-être. Ou peut-être vous sentez-vous à l'aise avec un rendement comparable qui est un peu plus facile à gérer. Votre meilleure option ? Passez du temps avec vos ingénieurs électromécaniciens, posez beaucoup de questions et discutez des domaines dans lesquels il est judicieux de faire des compromis pour répondre aux besoins de votre application spécifique.