Le 21 juin, lors du 2025 SMM (4ème) Electric Drive System Conference & Drive Motor Industry Forum - Automotive Electric Drive System Forum, co-organisé par SMM Information & Technology Co., Ltd., Hunan Hongwang New Material Technology Co., Ltd., le gouvernement populaire du district de Louxing et la zone économique et technologique nationale de Loudi, Jia Yuqi, directeur adjoint de l'Institut de recherche du Centre d'innovation de la transmission électrique du Zhejiang, a partagé ses points de vue sur les « Caractéristiques de conception des moteurs de transmission dans le contexte de la haute tension et de la haute fréquence ».
Contexte et défis
1.1 Contexte - Politique/Industrie
Les moteurs de transmission des véhicules électriques (VE) ont une large plage de vitesses et nécessitent des accélérations et des décélérations fréquentes pendant la conduite, ce qui rend les conditions de fonctionnement beaucoup plus complexes que celles des systèmes de régulation de vitesse généraux. Le système de transmission électrique est crucial pour déterminer les performances dynamiques des VE.
• Plan de développement des VE 2025 du Département américain de l'Énergie (DOE) ;
• Demande croissante des consommateurs en matière d'autonomie et de performances ;
• Meilleures pratiques des marques automobiles locales en matière de « dépassement en courbe » dans l'industrie automobile mondiale ;
• Une approche importante pour atteindre les objectifs de « protection de l'environnement bas carbone, pic des émissions de carbone, neutralité carbone, économie d'énergie et réduction des émissions » ;
Cela nécessite que les systèmes de transmission électrique soient plus légers, plus compacts, plus efficaces et plus fiables, avec des exigences croissantes en matière de densité de puissance.
1.1 Contexte - Solutions/composants et enroulements du système de transmission électrique
Les onduleurs SiC offrent des fréquences de commutation élevées, des pertes faibles et des tensions de fonctionnement élevées, contribuant à augmenter la vitesse et la densité de puissance du moteur de transmission ;
Les enroulements à fil plat ont des facteurs de remplissage des encoches élevés, une faible résistance en courant continu et une bonne conductivité thermique, améliorant l'efficacité et la densité de puissance du moteur dans des conditions de fonctionnement à moyenne et basse vitesse ;
1.1 Contexte - Solutions du système de transmission électrique
Solutions courantes pour les systèmes de transmission électrique des véhicules à énergie nouvelle : onduleur SiC + moteur synchrone à aimants permanents à enroulement à fil plat ;
1.2 Difficultés techniques et défis - Haute tension, haute fréquence
La haute tension entraîne une augmentation des pertes diélectriques dans les matériaux isolants et un risque plus élevé de décharges partielles ;
La haute fréquence entraîne une augmentation des pertes en courant alternatif dans les enroulements à fil plat et une répartition inégale des pertes dans les encoches, ce qui peut facilement entraîner des points chauds locaux ;
Dans des conditions de haute tension et de haute fréquence, la répartition inégale de la tension entre les spires dans les enroulements est exacerbée par les paramètres parasites à haute fréquence, provoquant des dommages et des défaillances de l'isolation ;
1.2 Difficultés techniques et défis - Contre-mesures
Prendre en compte de manière approfondie la répartition inégale des pertes, de la chaleur et des contraintes de tension pendant la phase initiale de conception ;
Utiliser des vernis isolants, des matériaux isolants et des fils émaillés résistants à la haute température et à la haute corona ;
Des contre-mesures globales doivent être prises à plusieurs niveaux, notamment de nouvelles topologies de moteurs, de nouvelles structures d'enroulements, de nouveaux matériaux, de nouveaux procédés et des systèmes de gestion thermique efficaces ;
Considérations clés dans la conception des moteurs de transmission dans des conditions de haute tension
2 Considérations clés dans la conception des moteurs de transmission dans des conditions de haute tension
2.1 Conception du système d'isolation - Matériaux
Sous excitation à haute fréquence et à haute dv/dt, l'isolation des enroulements sera soumise aux effets conjugués de contraintes électriques et thermiques importantes. Compte tenu des exigences en matière de densité de puissance élevée et de fiabilité élevée, la marge de sécurité d'isolation du moteur s'approche progressivement des limites admissibles des paramètres des matériaux. Par conséquent, il est nécessaire de procéder à une analyse et à une évaluation de la sécurité de l'isolation entre spires des moteurs dès la phase initiale de conception. Pour garantir les marges de sécurité d'isolation et éviter les dommages et les défaillances prématurées, des mesures telles que l'augmentation de l'épaisseur de l'isolation, l'utilisation de matériaux d'isolation avec des indices de résistance thermique plus élevés et de matériaux d'isolation résistants à la corona peuvent être prises pour garantir la sécurité de l'isolation. Par exemple, le fil PEEK résistant à la corona développé par Furukawa Electric au Japon et utilisé dans le moteur d'entraînement iMMD de Honda peut atteindre une tension d'apparition de décharge partielle (PDIV) plus élevée et une meilleure conductivité thermique.
2.1 Conception du système d'isolation - Refroidissement
À mesure que la densité de puissance du moteur augmente, la densité de pertes augmente inévitablement également. Couplée aux effets de proximité et de peau dans des conditions de haute fréquence, cela peut facilement entraîner une répartition inégale de la source de chaleur dans les encoches du moteur, entraînant une surchauffe localisée.
La durée de vie des matériaux d'isolation du moteur est étroitement liée à la température. Par conséquent, il convient de prêter attention au plan de gestion thermique du moteur et de renforcer le développement de structures de refroidissement efficaces, telles que le refroidissement des bobinages dans les encoches et le refroidissement direct des bobinages.
2.2 Surtension d'impulsion - Causes et modèles de calcul
En raison du désaccord de l'impédance caractéristique entre l'onduleur, les câbles de transmission et le moteur, conformément au principe de réflexion des ondes, les impulsions PWM seront réfléchies à plusieurs reprises entre l'onduleur et les bobinages du moteur. La superposition des tensions réfléchies et incidentes générera des tensions d'oscillation d'impulsion aux extrémités des bobinages du moteur, qui sont plus élevées ou plus basses que la tension du bus, générant ainsi des tensions d'impulsion. La tension de crête est le facteur le plus dangereux provoquant une décharge partielle dans l'isolation du moteur.
2.2 Surtension d'impulsion - Méthodes de suppression
Lorsque la fréquence de commutation est inférieure à cette valeur, le phénomène de superposition de double impulsion ne se produira pas. Par conséquent, une conception d'adaptation d'impédance est nécessaire pour garantir que la fréquence de commutation est inférieure à cette fréquence.
2.3 Carte d'efficacité des moteurs à différents niveaux de tension
Une comparaison a été effectuée entre la distribution de l'efficacité des moteurs d'entraînement à des tensions de bus de 400 V, 600 V et 800 V. Lorsque la tension de bus augmente, la zone de haute efficacité du moteur d'entraînement s'étend de manière significative. De plus, avec une augmentation de la vitesse de coin, la zone de haute efficacité montre une tendance claire à se déplacer vers la zone de haute vitesse, ce qui correspond à la demande de conception de moteurs à haute vitesse. Par conséquent, le développement de systèmes d'entraînement électrique haute tension pour les véhicules à énergie nouvelle répond non seulement aux exigences de recharge rapide des batteries, mais offre également de nouvelles opportunités pour la conception à haute efficacité et haute densité des moteurs d'entraînement.
Considérations clés dans la conception des moteurs d'entraînement en conditions de haute fréquence
3.1 Pertes dues aux harmoniques de courant - Causes et dangers
Les moteurs d'entraînement pour les véhicules à énergie nouvelle sont généralement entraînés par des onduleurs à source de tension utilisant la technologie de modulation de largeur d'impulsion par vecteur d'espace (SVPWM). Lors de l'allumage et de l'extinction continus de chaque dispositif pendant le cycle de commutation, des harmoniques de courant à haute fréquence sont générés. En même temps, le temps mort et les temps de mise sous tension/d'extinction des dispositifs peuvent provoquer une distorsion des formes d'onde de tension et de courant de sortie de l'onduleur, introduisant ainsi des harmoniques à haute fréquence. Ces harmoniques de tension et de courant sont généralement situés près de la fréquence porteuse et de ses multiples, augmentant les pertes et réduisant l'efficacité.
3.1 Pertes dues aux harmoniques de courant - Méthodes de suppression
Lorsque la fréquence de commutation augmente, le degré sinusoïdal de la forme d'onde du courant s'améliore et la fréquence des principaux sous-harmoniques augmente, mais l'amplitude des courants harmoniques diminue de manière significative.
Par conséquent, la méthode de suppression des pertes dues aux harmoniques de courant consiste à améliorer le degré sinusoïdal de la forme d'onde du courant, à réduire la teneur en harmoniques de chaque ordre et, par conséquent, à réduire les pertes dues aux harmoniques de courant. Les principales mesures comprennent l'augmentation de la fréquence de commutation de l'onduleur, l'inclinaison des encoches/pôles, l'optimisation de la structure des pôles magnétiques, la sélection de la forme d'enroulement et la sélection de la combinaison encoche-pôle, entre autres.
3.2 Pertes à courant alternatif à haute fréquence dans les enroulements - Causes et dangers
Lorsqu'un courant alternatif traverse un conducteur ou qu'il est placé dans un champ magnétique alternatif, des effets de courants de Foucault, à savoir l'effet de peau et l'effet de proximité, sont induits. L'effet de peau fait que le courant a tendance à se concentrer à la surface du conducteur lorsqu'un courant alternatif le traverse, tandis que l'effet de proximité fait que le courant dans deux conducteurs adjacents a tendance à se concentrer sur les côtés en raison de l'influence réciproque de leurs champs magnétiques. Ces deux effets réduisent la surface conductrice effective du conducteur et augmentent les pertes.
Plus la fréquence de fonctionnement du moteur d'entraînement est élevée, plus les pertes en courant alternatif dans les enroulements à fils plats sont importantes. De plus, les moteurs d'entraînement pour véhicules à énergie nouvelle fonctionnent dans diverses conditions et, à certains points de fonctionnement, la proportion de pertes en courant alternatif dans les enroulements à fils plats est très élevée. Les impacts négatifs se manifestent principalement sous trois aspects : une réduction du rendement du moteur, ce qui n'est pas favorable à l'amélioration de la densité de puissance du système d'entraînement électrique ; une augmentation des exigences en matière de dissipation thermique, ce qui impose des exigences plus élevées à la structure de refroidissement du moteur et à la gestion thermique ; et une répartition inégale des pertes dans les encoches, entraînant des points chauds locaux et menaçant la sécurité d'isolation du moteur.
Par conséquent, il faut y accorder une attention suffisante pendant la phase de développement du moteur.
3.2 Pertes en courant alternatif à haute fréquence dans les enroulements - Méthodes de suppression
Les méthodes de suppression des pertes en courant alternatif dans les enroulements à fils plats à haute fréquence comprennent principalement :
Augmenter la taille de l'ouverture de l'encoche du stator (pour réduire les pertes dans le conducteur causées par le champ magnétique de l'induit) ;
Augmenter la distance entre le conducteur et l'ouverture de l'encoche du stator (pour réduire les pertes dans le conducteur causées par le champ magnétique de fuite dans l'encoche sous le champ magnétique de l'aimant permanent) ;
Réduire la taille du conducteur (pour affaiblir les effets de l'effet de peau et de l'effet de proximité) ;
Augmenter légèrement la taille du pont d'isolation magnétique ;
Transposer les conducteurs entre les encoches et les couches (pour réduire les pertes en courant circulant lorsque le nombre de branches parallèles est supérieur à un) ;
Utiliser du fil Litz pour les enroulements (transposition inter-brins).
3.3 Rendement du moteur à différentes fréquences de commutation
Une comparaison a été effectuée des pertes dans les moteurs d'entraînement à des fréquences de commutation de 10 kHz, 20 kHz et 50 kHz. Lorsque la fréquence de commutation augmente, les pertes dans chaque partie du moteur présentent une tendance à la baisse. Toutefois, lorsque la fréquence de commutation atteint une certaine valeur, les pertes du moteur ne changent plus de manière significative. Par conséquent, dans une certaine plage, une fréquence de commutation plus élevée est bénéfique pour réduire les pertes globales du moteur, ce qui facilite également la conception de moteurs à grande vitesse.
Cependant, à mesure que la fréquence de commutation augmente, les pertes de l'onduleur augmentent également en conséquence. Par conséquent, la sélection de la fréquence de commutation nécessite un équilibre entre les pertes du moteur et celles de l'onduleur afin d'atteindre les pertes totales les plus faibles dans l'ensemble du système d'entraînement électrique.
Résumé
4.1 Exigences
Exigences de conception fondamentales pour les moteurs d'entraînement dans des conditions de haute tension et de haute fréquence :
Ø Isolation fiable : les impulsions PWM à haute fréquence se réfléchissent plusieurs fois entre l'onduleur et les enroulements du moteur, provoquant une superposition de tension aux extrémités des enroulements et menaçant la sécurité de l'isolation des enroulements ;
Ø Efficacité électromagnétique : le fonctionnement à haute fréquence exacerbe les effets de peau et les pertes harmoniques, nécessitant une modélisation électromagnétique précise pour optimiser la topologie des enroulements en fil de cuivre plat, la structure de l'ouverture des encoches et la conception des barrières magnétiques, en utilisant plusieurs méthodes pour améliorer globalement l'efficacité de conversion électromagnétique ;
Ø Refroidissement efficace : la densité de puissance élevée entraîne des pertes concentrées et une augmentation de la densité d'énergie thermique. Des technologies telles que les canaux de refroidissement imprimés en 3D et le refroidissement par eau dans les encoches peuvent être combinées pour établir un système de refroidissement multicanal, en utilisant des simulations de couplage des champs fluide et thermique pour optimiser les chemins de refroidissement et maintenir les températures des composants du moteur dans des plages raisonnables.
4.2 Contradictions
• L'augmentation de la tension d'alimentation élargit considérablement la zone de haut rendement du moteur d'entraînement, mais la tension d'impulsion élevée dv/dt émise par le SiC augmente simultanément la contrainte de tension d'isolation sur les enroulements du moteur, menaçant la sécurité de l'isolation des enroulements ;
• Des fréquences de fonctionnement plus élevées facilitent l'augmentation de la vitesse de rotation et du nombre de pôles, ainsi que l'amélioration de la densité de puissance du moteur d'entraînement, répondant aux exigences du système en matière de miniaturisation et de conception légère. Cependant, cela entraîne également une augmentation des pertes dans les enroulements en courant alternatif et des pertes mécaniques, les premières exacerbant la répartition thermique inégale dans les encoches.
4.3 Équilibre
• En tant que système à variables multiples, fortement couplé et non linéaire, la résolution d'un problème technique dans la conception du moteur entraîne inévitablement l'apparition d'un autre. La conception des moteurs est un processus de recherche d'équilibre entre des contradictions, nécessitant des compromis entre l'amélioration des performances, la réduction des pertes, la structure de refroidissement, la gestion thermique et la sécurité d'isolation ;
• Aller au-delà de l'inertie de la pensée centrée sur un seul produit pour envisager les problèmes de manière plus macroscopique, en passant de l'amélioration de l'ensemble du système de propulsion électrique à l'augmentation de l'efficacité globale du véhicule et de la densité de puissance.
De plus, il a présenté une vue d'ensemble, le positionnement, les objectifs de construction, les plans stratégiques, le robot humanoïde et l'économie de basse altitude du Centre d'innovation pour la propulsion électrique du Zhejiang.
》Cliquez pour consulter le rapport spécial de la Conférence SMM (4ème édition) 2025 sur les systèmes de propulsion électrique et le Forum de l'industrie des moteurs de propulsion