Banc d'essai de moteurs à flux axial: Test des moteurs Pancake pour les transmissions EV et l'aérospatiale

Les moteurs à flux axial entrent en production – les tests doivent suivre

Les moteurs à flux axial sont passés des curiosités aérospatiales aux composants grand public des véhicules électriques plus rapidement que la plupart des ingénieurs ne l'avaient prévu.. La SF90 Stradale de Ferrari utilise un moteur à flux axial dérivé de YASA pour son unité arrière hybride. Mercedes-Benz a acquis purement et simplement YASA en 2021 pour sécuriser la technologie de sa gamme AMG. Emrax et Magnax fournissent des unités aux avions, courses, et équipementiers de propulsion navale. Turntide et Saietta s'adressent respectivement aux marchés des véhicules utilitaires et des deux-roues.

La caractéristique commune est une géométrie en crêpe: les disques du rotor et du stator sont disposés face à face, séparés par un petit entrefer axial. Des valeurs de densité de puissance de 5 à 10 kW/kg en pointe sont régulièrement démontrées, environ le double de ce qu'une machine à flux radial comparable réalise. Mais l'ingénieur du banc d'essai est confronté à plusieurs défis qui n'ont pas d'équivalent dans les essais de moteurs conventionnels..

Pourquoi le facteur de forme change tout sur le banc de test

Un moteur à flux radial a un arbre dépassant des deux extrémités d'un boîtier cylindrique - le couplage du banc d'essai est simple. L'arbre de sortie d'un moteur à flux axial peut dépasser d'un seul côté d'un boîtier très plat, ou en bi-rotor / mono-stator (TRSM) configurations, l'arbre peut avoir une portée de roulement inhabituellement courte. Le banc d'essai doit accueillir:

• Brides d'adaptation personnalisées: Les boîtiers à flux axial utilisent rarement un montage sur pied standard CEI ou NEMA. Un adaptateur de cloche usiné avec précision correspondant au diamètre du cercle de boulons et au robinet de centrage du moteur est obligatoire.. Désalignement de plus de 0.05 mm TIR au niveau de la face d'accouplement introduira des moments de flexion parasites qui faussent la mesure du couple.
• Gestion des charges axiales: Dans les configurations à double rotor, la force d'attraction entre les disques du rotor et le stator peut dépasser la poussée nominale du moteur d'un facteur de trois ou plus. La table d’essai du banc doit être capable de résister à cette précharge axiale sans permettre au moteur de se déplacer, ce qui modifierait l'entrefer et fausserait les lectures d'efficacité.
• Accès thermique: Le stator dans une conception TRSM est entouré sur les deux faces par des rotors à disques rotatifs, rendant la mesure de la température de l'encoche du stator par thermocouple extrêmement difficile. Les sondes à fibre optique acheminées à travers les enroulements du stator sont préférées; alternativement, la mesure de la résistance des enroulements à l'équilibre thermique fournit une température moyenne du conducteur.

Éléments de test de base

1. Analyse de la forme d'onde et des harmoniques Back-EMF

Les moteurs à flux axial avec des enroulements concentrés présentent souvent une forme d'onde de force contre-électromotrice qui est plus trapézoïdale que sinusoïdale.. Cela affecte la manière dont le moteur interagit avec un onduleur sinusoïdal et doit être caractérisé avant le réglage du contrôle.. Le banc d'essai fait tourner le moteur à la vitesse nominale sans charge appliquée; les tensions de phase en circuit ouvert sont enregistrées à une fréquence d'échantillonnage d'au moins 50 kS/s. Le contenu harmonique jusqu'au 50ème ordre est signalé.

Indicateurs clés: THD de la tension contre-EMF en circuit ouvert; fréquence fondamentale; crête contre-EMF ligne à ligne à la vitesse nominale; amplitude du couple d'encoche et période angulaire à partir de la même mesure de rotation.

2. Cartographie de l'efficacité (Grille vitesse-couple)

Les moteurs à flux axial atteignent généralement une efficacité maximale supérieure à 96%, mais l'îlot étroit à haut rendement peut s'effondrer rapidement aux points d'exploitation non conçus. Une grille minimale de 10 × 10 les points de couple-vitesse sont recommandés, avec une résolution plus fine (20 × 20) dans la région du WLTP attendu / Points de fonctionnement pondérés NEDC. La puissance d'entrée doit être mesurée sur le bus DC; la mesure du courant et de la tension de phase seule ne permet pas les pertes de commutation de l'onduleur.

Indicateurs clés: Efficacité maximale du système (moteur + onduleur); efficacité à 50% vitesse / 50% couple; efficacité pondérée par cycle WLTP.

3. Cartographie thermique sous charge continue

La dissipation thermique est la principale contrainte du moteur à flux axial. Le stator, pris en sandwich entre deux disques en rotation, a un refroidissement par convection limité à moins que des canaux de refroidissement liquide actifs soient intégrés dans la culasse du stator. Tests de charge continus à 100% puissance nominale pour 30 un minimum de minutes est nécessaire pour identifier les points chauds thermiques. Si le moteur utilise une chemise d'eau, la température d'entrée du liquide de refroidissement, débit, et la pression doit être maintenue constante tout au long du test.

4. Tests NVH et de mode structurel

La structure à disque mince d'un rotor à flux axial est sensible aux résonances acoustiques à des combinaisons vitesse-couple spécifiques.. Le disque peut faire office de peau de tambour, rayonnant des bruits de structure à deux fois la fréquence électrique fondamentale plus les harmoniques des fentes du rotor. Des accéléromètres sur les brides du carter moteur et une mesure de puissance acoustique en environnement semi-anéchoïque sont standards. Identifiez tous les points de fonctionnement ci-dessus 80 dB(UN) à 1 m plus tôt afin que l'équipe de contrôle du variateur puisse appliquer une injection d'harmoniques pour atténuer.

5. Évaluation des risques de démagnétisation (Flux axial PM)

Rotors à flux axial à aimant permanent (par ex., TRSM) sont vulnérables à une démagnétisation partielle dans des conditions de défaut de court-circuit car la profondeur de l'aimant dans la direction axiale est limitée par la conception du disque compact. Les tests impliquent l'application d'une impulsion de courant de crête négative contrôlée sur l'axe D égale à 2 × le courant de crête nominal pour 100 ms et mesure immédiate de la liaison du flux de pointe. Toute réduction supérieure à 0.5% indique une démagnétisation irréversible.

Adaptation d'un banc d'essai existant pour les travaux à flux axial

La plupart des bancs d'essai de moteurs peuvent être adaptés pour le travail à flux axial sans remplacer le dynamomètre de charge ou l'électronique de puissance.. Les principales modifications concernent le montage mécanique (adaptateur de boîtier de cloche personnalisé et cadre de retenue axiale), l'instrumentation thermique (sondes à fibre optique ou IR sans contact), et la configuration d'acquisition de données. Notre équipe d'ingénierie a pris en charge des programmes de flux axiaux allant de 10 kW vélo électrique à mi-parcours pour 250 Moteurs de traction kW pour le sport automobile. Contactez-nous pour discuter de votre candidature.