Faire progresser les moteurs asynchrones

Afin de réduire la consommation électrique et les émissions de CO2 qui en résultent, il est nécessaire de continuer à optimiser les concepts connus et établis. Gerhard Thumm explique comment les moteurs asynchrones peuvent devenir plus efficaces et plus avancés.

Les réglementations gouvernementales exigent des niveaux d’émissions de CO2 de plus en plus faibles dans divers domaines. Pour répondre à ces exigences, la consommation globale d’énergie doit être améliorée en permanence. Cela inclut les moteurs électriques. Environ 38 % de l'électricité mondiale est consommée par les moteurs électriques des bâtiments et des applications industrielles. Un type courant de moteur électrique est le moteur à induction triphasé. Les améliorations de ce type peuvent apporter des avantages en termes d’efficacité et de durabilité.

Les machines asynchrones (ASM) sont constituées de deux composants : le stator externe fixe et le rotor interne rotatif. Contrairement aux moteurs synchrones à aimants permanents, ces machines ne nécessitent pas de matériaux de terres rares coûteux. En conséquence, leur utilisation dans les applications automobiles a augmenté ces dernières années. La taille compacte de l'ASM constitue un autre avantage par rapport à un moteur synchrone. Cela le rend idéal pour les petites machines légères avec peu d'espace pour des composants plus gros. C’est là que des calculs simples entrent en jeu : obtenir plus de puissance avec moins de poids se traduira par une efficacité globale plus élevée.

Le potentiel de développement ultérieur de cette machine est particulièrement remarquable. Une façon d’augmenter les vitesses circonférentielles et, plus important encore, l’efficacité consiste à utiliser des matériaux en cuivre. Des études ont montré qu'il est possible d'augmenter les performances des systèmes ASM d'un facteur 2 à 3.

Grâce à ces connaissances, le groupe Wieland a développé un anneau de court-circuit repensé composé d'anneaux d'extrémité segmentés.

Le fait que les anneaux d'ombrage soient constitués de plusieurs disques est la caractéristique clé de cette conception. Ces disques sont percés par les tiges de formage dans une nouvelle configuration qui permet aux ensembles cages d'être soudés ensemble. Les barres et disques de soudage forment une cage fermée, permettant une conception de rotor flexible qui peut être adaptée pour répondre aux exigences spécifiques de l'application tout en restant rentable.

Ce haut degré de liberté géométrique s'accompagne d'une certaine complexité, qui ne peut être maîtrisée qu'en s'appuyant sur l'expérience acquise lors de projets antérieurs. Afin de répondre au mieux aux nouvelles exigences, les chefs de projet et les ingénieurs de Wieland peuvent accéder à un large éventail de géométries mises en œuvre avec succès.

En permettant l'utilisation de différents matériaux dans l'anneau d'extrémité, cette nouvelle conception est bien adaptée aux applications nécessitant des densités de puissance élevées, des classes de rendement élevées et des vitesses circonférentielles élevées. Les principales applications incluent les machines de traction automobile et ferroviaire, ainsi que les entraînements de broches de machines-outils.

La conception robuste permet un large éventail de possibilités de développement et d'amélioration, car le simple choix du bon matériau peut faire une grande différence en termes de performances thermiques et énergétiques.

Wieland propose des composants de rotor ainsi que des rotors complets en cuivre. Le cuivre a une conductivité électrique environ 50 % plus élevée et de meilleures propriétés mécaniques que l'aluminium, et améliore également l'efficacité des ASM. Ainsi, les rotors en cuivre sont un élément clé des machines à grande vitesse, où la température, la puissance et la densité énergétique sont essentielles.

Dans la plupart des autres processus de fabrication, les niveaux élevés de chocs thermiques et de températures au cours du processus de fabrication du rotor sont essentiels pour les outils et les composants de cage utilisés. La fatigue thermique des composants et des outils est généralement inévitable en raison des températures élevées. La microstructure du composant est généralement très souple après la production, alors que dans la nouvelle conception, les anneaux de court-circuit sont composés de plusieurs disques individuels. Après que les barres de formage ont été insérées dans la pile de feuilles, les anneaux d'extrémité sont montés au-dessus de la pile de feuilles sur les profils des barres de formage. Cette conception permet des géométries d'anneaux d'extrémité « hybrides ». Autrement dit, différents matériaux en cuivre ou anneaux d'extrémité en acier peuvent être combinés.