Banc d'essais ESSM: Enroulement du rotor, Excitation sur le terrain, et validation des moteurs synchrones à excitation électrique

Pourquoi l'EESM revient à la conversation sur le groupe motopropulseur des véhicules électriques

Les moteurs à aimants permanents dominent la traction des véhicules électriques depuis plus d’une décennie, mais les moteurs synchrones à excitation électrique font un retour en force. La Mégane E-Tech de Renault utilise un EESM avec un rotor bobiné et une excitatrice sans balais. Mercedes-Benz spécifie EESM pour la plate-forme commerciale eSprinter. La raison est simple: pas d'aimants de terres rares, champ contrôlable, et comportement de démagnétisation intrinsèquement sûr dans des conditions de température élevée ou de défaut. Alors que les équipementiers automobiles cherchent à réduire leur dépendance aux chaînes d’approvisionnement en néodyme et en dysprosium, Les qualifications de l’EESM s’accélèrent.

Tester un EESM n’est pas la même chose que tester un PMSM. Le rotor bobiné ajoute un deuxième circuit électrique - l'enroulement de champ - avec sa propre classe d'isolation, limite thermique, et modes de défaut. L'excitateur sans balais (un petit générateur intégré à l'arbre du rotor) ajoute une complexité mécanique que les procédures de qualification PMSM ignorent tout simplement. L'ingénieur de validation a besoin d'un protocole de test qui couvre explicitement le contrôle du courant de terrain, isolation des enroulements du rotor, performances de l'excitatrice, et l'interaction entre le niveau d'excitation du champ et la sortie de couple - dont aucun n'apparaît dans les plans de test standard des moteurs à induction AC ou des PMSM..

En quoi l'EESM diffère électriquement du PMSM et du moteur à induction

• Bobinage inducteur sur le rotor: Contrairement au PMSM (aimants permanents sur rotor) ou moteur à induction (rotor à cage d'écureuil en court-circuit), l'EESM est doté d'une bobine alimentée en courant continu enroulée autour du noyau du rotor. Le niveau de courant de champ contrôle directement le flux d'entrefer - et donc la courbe couple-vitesse - en temps réel.
• Excitateur sans balais: La plupart des EESM automobiles utilisent un système d'excitation sans balais: un petit générateur AC sur l'arbre du rotor (polarité stator/rotor inversée par rapport à la machine principale) fournit du courant continu à l'enroulement de champ via un redresseur intégré tournant avec le rotor. Cela élimine les balais et les bagues collectrices mais nécessite que l'excitatrice soit validée en tant que sous-système..
• Couple maximum par ampère (MTPA) avec affaiblissement du champ: Dans un PMSM, Le MTPA et l'affaiblissement de champ sont une pure optimisation de l'angle de courant dq. Dans un ESSM, l'affaiblissement du champ est obtenu en réduisant le courant de champ - un axe de contrôle différent. L'EESM peut obtenir un affaiblissement de champ plus profond qu'un PMSM sans contraintes de limite de courant., permettant une meilleure plage de puissance constante à haute vitesse.
• Couple d'encoche nul: Sans aimants permanents, le couple d'encoche est éliminé par conception. Il s'agit d'un avantage pour un fonctionnement en croisière à haut rendement et un NVH à faible bruit, mais supprime un indicateur d'autodiagnostic sur lequel les ingénieurs de test PMSM s'appuient pour évaluer l'état de l'aimant..

Éléments de test de base pour la validation de l'EESM

1. Courant de champ vs. Cartographie de tension en circuit ouvert

Avec le rotor tournant à la vitesse nominale et le stator en circuit ouvert, le courant de champ est balayé de zéro à la valeur nominale maximale (généralement 5 à 25 A CC selon la taille de la machine). La tension en circuit ouvert aux bornes du stator est enregistrée à chaque pas de courant. Cette courbe de magnétisation (liaison de flux entrefer vs. courant de champ) caractérise le comportement de saturation du circuit magnétique et confirme que l’excitatrice délivre un courant de champ adéquat à toutes les vitesses.

Indicateurs clés: tension en circuit ouvert à la vitesse nominale et au courant de champ nominal (V), courant de champ de saturation au point de coude (UN), demande de courant d'excitation au champ nominal (A de l'onduleur).

2. Isolation et résistance des enroulements du rotor

L'enroulement de champ du rotor est un emplacement de défaut d'isolation à haut risque: ça tourne, subit une contrainte centrifuge, voit une dilatation thermique différentielle entre le cuivre et le fer, et est exposé au courant continu redressé plutôt qu'au courant alternatif sinusoïdal. La résistance des enroulements du rotor est mesurée à froid et en régime permanent thermique (calculer le coefficient de température). La résistance d'isolement est mesurée entre les bornes de l'enroulement de champ et le noyau du rotor à 500 VDC, avec critère d'acceptation généralement 10 MΩ minimum. L'inductance de l'enroulement est mesurée pour confirmer l'absence de spires en court-circuit.

Indicateurs clés: résistance CC froide (Oh), résistance à chaud en régime thermique stable (Oh), résistance à l'isolation (MΩ à 500 VDC), inductance d'enroulement de champ (mH).

3. Production de couple vs. Courant de champ à plusieurs points de vitesse

À chacune des trois consignes de vitesse (30%, 70%, et 100% vitesse nominale), Le courant du stator est maintenu à la valeur nominale tandis que le courant de champ est balayé de 20% à 120% de notation. Le couple de sortie est enregistré à chaque point de combinaison. Cela génère la surface MTPA fondamentale - le niveau de courant de champ qui produit un couple maximal pour un courant statorique donné - et révèle toute asymétrie dans la surface de contrôle qui indique un déséquilibre des enroulements du rotor ou une limitation de l'excitatrice..

Indicateurs clés: Courant de champ MTPA à la vitesse nominale (UN), couple à MTPA normalisé au couple nominal (%), courant de champ auquel le couple sature.

4. Plage d'affaiblissement du champ et performances à grande vitesse

Le moteur est accéléré de la vitesse de base nominale à la vitesse de test maximale (généralement 1,5 à 2 × vitesse de base) au courant nominal du stator tandis que le courant de champ est progressivement réduit. Le couple et la puissance sont enregistrés en fonction de la vitesse dans la région d'affaiblissement du champ. Le rapport de vitesse à puissance constante (le rapport entre la vitesse maximale et la vitesse de base) est une spécification clé pour les moteurs de traction et doit être vérifié expérimentalement par rapport à l'objectif de conception..

Indicateurs clés: rapport de vitesse à puissance constante, couple à vitesse maximale, Courant statorique requis pour l'affaiblissement du champ à vitesse maximale (UN), excitatrice contre-EMF à vitesse maximale (V).

5. Performances de l'excitatrice sans balais et validation du redresseur

Le sous-système excitateur - le petit générateur enroulé en sens inverse sur l'arbre et le redresseur rotatif - est testé indépendamment en connectant une charge résistive connue. (simulation du bobinage de champ) à la sortie du redresseur tout en balayant le courant d'entrée du stator de l'excitatrice et la vitesse du rotor. La tension continue de sortie et l'ondulation sont mesurées. Ce test identifie les défaillances des diodes du redresseur (détectable par une ondulation accrue) et asymétrie des enroulements d'excitateur avant l'assemblage complet de la machine.

Indicateurs clés: Tension de sortie CC au courant d'entrée nominal de l'excitatrice (V), Ondulation AC sur sortie redressée (mV), sortie du redresseur à la vitesse de démarrage minimale (V à 200 RPM).

6. Gestion thermique du bobinage du rotor

L'enroulement du rotor n'a pas de chemin de refroidissement direct : la chaleur doit être transmise à travers le fer du rotor jusqu'à l'arbre et à l'entrefer.. La température de l'enroulement du rotor est mesurée à l'aide de l'augmentation de la résistance (Méthode ΔR selon CEI 60034-1) car les capteurs directs sont difficiles à monter sur des composants rotatifs. Le test fait fonctionner le moteur à la charge nominale pendant la durée définie du test thermique et confirme que l'augmentation de la température de l'enroulement du rotor reste dans la limite de la classe d'isolation. (Classe F: 100 K s'élève au-dessus de 40°C ambiant, Classe H: 125 K hausse).

Indicateurs clés: augmentation de la température de l'enroulement du rotor en régime thermique stable (K), augmentation de la température de l'enroulement du stator (K), température du roulement en régime thermique stable (°C).

Intégration des tests EESM dans votre programme de développement de véhicules électriques

La qualification EESM ne remplace pas l’expérience du test PMSM – elle la prolonge. Le même dynamomètre à quatre quadrants, les mêmes exigences de précision du transducteur de couple (0.1% FS ou mieux), et les mêmes instruments thermiques s'appliquent. Ce qui change, c'est l'interface de contrôle: le banc d'essai doit fournir et contrôler avec précision une source de courant de champ continu indépendante de l'onduleur statorique principal, synchronisé avec la position du rotor pour une cartographie MTPA précise. Le diagnostic des enroulements du rotor - résistance d'isolement, augmentation de la résistance, inductance - nécessite un canal de mesure CC basse tension séparé qui peut accéder en toute sécurité aux bornes de sortie de l'excitatrice via une bague collectrice ou une connexion aux bornes de l'enroulement du rotor avant l'assemblage.

Si votre programme de développement de véhicules électriques s'oriente vers les moteurs de traction EESM, que ce soit pour la réduction des terres rares, extension de la plage d'affaiblissement du champ, ou tolérance aux défauts thermiques : les spécifications du banc d'essai doivent être mises à jour avant l'arrivée du premier prototype. Contactez notre équipe d'ingénierie pour revoir vos exigences de validation EESM et configurer la bonne solution de test.