Moteur PMSM asymétrique en V révolutionne l’automobile électrique
Une étude novatrice démontre qu’un moteur synchrone à aimants permanents (IPM) avec configuration en V asymétrique surpasse significativement les modèles symétriques traditionnels en termes d’efficacité énergétique et de rentabilité lorsqu’il est optimisé pour les conditions réelles de conduite. Cette recherche introduit une approche d’optimisation multi-objective inédite basée sur le cycle de conduite européen NEDC, ouvrant des perspectives majeures pour l’avenir des motorisations électriques automobiles.
La transition mondiale vers une mobilité durable exige désormais des ingénieurs qu’ils conçoivent des systèmes de propulsion non seulement performants mais aussi extrêmement efficaces dans des scénarios de conduite variés. Si les moteurs synchrones à aimants permanents se sont imposés comme la technologie de référence pour les véhicules électriques grâce à leur densité de couple élevée, leur excellente efficacité et leur compacité, les méthodologies de conception traditionnelles privilégient souvent les performances dans des conditions de fonctionnement nominales. Cette approche restrictive peut conduire à des performances sous-optimales lors des cycles de conduite réels, où la charge et la vitesse varient considérablement.
L’étude résout cette problématique en intégrant le cycle de conduite NEDC directement dans le processus de conception du moteur. Bien que progressivement remplacé par des cycles d’essai plus dynamiques comme le WLTC, le NEDC reste une référence précieuse pour évaluer la consommation énergétique et les émissions des véhicules dans des conditions standardisées. Son utilisation comme fondement de l’optimisation garantit que les moteurs conçus offriront des performances supérieures dans un large éventail de conditions réelles, de la circulation urbaine avec arrêts fréquents à la conduite sur autoroute.
La recherche compare fondamentalement deux topologies de moteurs IPM en V : symétrique et asymétrique. La conception symétrique, caractérisée par des couches supérieure et inférieure d’aimants permanents identiques disposées en configuration en V, représente depuis longtemps la norme dans la conception des moteurs électriques. La variante asymétrique, permettant une paramétrisation géométrique indépendante des segments magnétiques supérieurs et inférieurs, offre une flexibilité de conception accrue et un potentiel de performance améliorée. L’équipe a émis l’hypothèse que cette flexibilité supplémentaire pourrait permettre d’atteindre une meilleure efficacité et un couple plus élevé tout en minimisant les coûts matériels, particulièrement l’utilisation d’aimants permanents en terres rares coûteux.
Pour vérifier cette hypothèse, les chercheurs ont analysé les profils de couple et de vitesse d’une Nissan Leaf 2012 soumise au cycle NEDC. Cette analyse a fourni une base réaliste pour le processus d’optimisation, garantissant que les conceptions de moteurs seraient évaluées dans des conditions reflétant fidèlement la conduite réelle. Le modèle initial, un moteur IPM en V à double couche avec 24 encoches et 4 pôles, a été sélectionné pour son utilisation répandue dans l’industrie automobile et sa pertinence pour une optimisation paramétrique détaillée.
Le processus d’optimisation lui-même s’appuie sur un algorithme génétique multi-objective sophistiqué, le NSGA-II. Cet algorithme est particulièrement adapté aux problèmes d’ingénierie complexes avec des objectifs multiples et souvent conflictuels. Les deux objectifs principaux étaient la maximisation de l’efficacité NEDC et l’optimisation du ratio couple-coût. L’efficacité NEDC représente l’efficacité moyenne du moteur sur l’ensemble du cycle de conduite, fournissant une mesure complète de ses capacités d’économie d’énergie. Le ratio couple-coût équilibre quant à lui la production de couple du moteur avec son coût de fabrication, en accordant une attention particulière à la réduction de l’utilisation de matériaux onéreux.
Les variables de conception comprenaient un large éventail de paramètres géométriques pour le stator et le rotor. Pour le stator, ces paramètres englobaient des dimensions telles que l’épaisseur de la culasse, la largeur et la profondeur des encoches, ainsi que divers rayons d’angle. Pour le rotor, les variables incluaient l’épaisseur de la toile et des ponts magnétiques, la largeur et l’épaisseur des aimants permanents, la taille des barrières magnétiques et les angles de la configuration en V. Dans le cas de la conception asymétrique, ces paramètres étaient traités indépendamment pour les couches supérieure et inférieure du V, augmentant considérablement le nombre de variables et la complexité du problème d’optimisation.
L’une des innovations clés de l’étude réside dans la modélisation paramétrique indépendante des parties supérieure et inférieure des aimants permanents dans le moteur asymétrique. Cette approche a permis d’explorer un espace de conception beaucoup plus vaste qu’avec une configuration symétrique. Par exemple, il devenait possible d’optimiser les aimants supérieurs pour les performances à haute vitesse tout en adaptant les aimants inférieurs pour un couple maximal à basse vitesse. Ce niveau de personnalisation est tout simplement impossible avec une conception symétrique, où les aimants supérieurs et inférieurs doivent être identiques.
L’optimisation a été réalisée à l’aide de la méthode des éléments finis pour simuler avec précision les performances électromagnétiques de chaque conception candidate. Ces simulations, extrêmement gourmandes en ressources computationnelles, ont été rendues possibles grâce à la capacité de l’algorithme NSGA-II à gérer de grandes populations et de multiples générations de solutions.
Après 50 itérations de l’algorithme génétique avec une population de 100 individus, le processus d’optimisation a produit un front de Pareto pour les deux conceptions de moteurs. Les chercheurs ont sélectionné le point de conception présentant l’efficacité NEDC la plus élevée comme candidate finale pour la comparaison détaillée des performances.
Les résultats sont sans appel : le moteur asymétrique en V atteint une efficacité NEDC de 96,63 %, contre 93,51 % pour la conception symétrique. Cette amélioration de 3,33 points de pourcentage représente un gain énergétique significatif qui pourrait se traduire par des centaines de kilomètres d’autonomie supplémentaire sur la durée de vie d’un véhicule.
Plus impressionnant encore, l’amélioration du ratio couple-coût atteint 11,90 %, avec un ratio de 15,89 pour le moteur asymétrique contre 14,20 pour le symétrique. Cela démontre que le moteur asymétrique délivre plus de couple par unité de coût de fabrication, en offrant une meilleure utilisation des matériaux malgré une légère augmentation de la quantité totale d’aimants permanents utilisée.
L’analyse détaillée des conceptions optimisées révèle des différences fondamentales entre les configurations. Le moteur asymétrique présente un angle en V plus marqué dans la couche supérieure d’aimants, ce qui améliore la concentration du champ magnétique et la forme d’onde de la force électromotrice. La couche inférieure est optimisée pour la production de couple maximal, en exploitant au mieux le couple de réluctance. Cette stratégie d’optimisation à double niveau permet au moteur asymétrique de tirer parti des deux sources de couple plus efficacement que la conception symétrique.
La force électromotrice des moteurs optimisés met en lumière les avantages de la configuration asymétrique, avec une amplitude fondamentale supérieure de 12,19 % et une distortion harmonique réduite, contribuant à un fonctionnement plus stable et confortable.
En charge nominale, le moteur asymétrique produit un couple moyen de 6,57 N·m, soit une amélioration de 14,66 % par rapport aux 5,73 N·m du moteur symétrique. Bien que l’ondulation de couple soit légèrement supérieure (4,31 % contre 3,92 %), ce compromis est jugé acceptable au vu des gains substantiels en couple et en efficacité.
La densité de couple volumique atteint 6,02 N·m/L pour le moteur asymétrique, une amélioration de 11,5 % par rapport aux 5,40 N·m/L du symétrique. Cette densité de puissance plus élevée est particulièrement précieuse dans les applications automobiles où l’espace et le poids sont critiques.
Le succès du moteur asymétrique en V s’explique par plusieurs facteurs décisifs. L’optimisation indépendante des couches magnétiques permet un réglage plus précis de la distribution du champ magnétique, maximisant l’utilisation des deux types de couple. La configuration asymétrique introduit un effet de décalage du champ magnétique qui améliore la production de couple sous charge, un avantage unique absent dans les conceptions symétriques.
Les implications de cette recherche pour l’industrie automobile électrique sont considérables. Alors que les constructeurs automobiles repoussent continuellement les limites de l’autonomie, des performances et de l’accessibilité financière, chaque amélioration incrémentale de l’efficacité et de la rentabilité des moteurs devient cruciale. Le moteur IPM asymétrique en V offre une voie prometteuse pour développer des motorisations à la fois plus efficaces et plus compétitives économiquement, accélérant ainsi la transition vers une mobilité durable.
L’accent mis sur les conditions de conduite réelles établit un nouveau standard pour la conception des moteurs électriques. Plutôt que d’optimiser pour des performances maximales à un point de fonctionnement unique, cette approche privilégie la performance globale sur l’ensemble du cycle de conduite, reconnaissant que la véritable mesure de l’efficacité d’un véhicule électrique réside dans son efficacité moyenne lors d’une utilisation typique.
Cette recherche souligne également l’importance cruciale des outils computationnels avancés dans la conception technique moderne. L’utilisation d’algorithmes génétiques multi-objectifs et de la méthode des éléments finis a permis d’explorer un vaste espace de conception et d’identifier des solutions optimales qui seraient restées inaccessibles par les méthodes traditionnelles d’essais et erreurs.
Dongdong Jiang, Zhenyang Qiao, Weinong Fu, Institut de technologie avancée de Shenzhen, Académie chinoise des sciences, Journal of Electrical Engineering, DOI : 10.1016/j.joe.2024.05.012