Simulation de machines électriques
Simulation de moteurs, générateurs et transformateurs électriques
Simuler des machines électriques
Que sont les machines électriques ?
Nous utilisons des machines électriques pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique à l'instar d'un générateur, pour transformer et distribuer l'énergie électrique, et pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique comme le fait un moteur. Les machines électriques nous facilitent actuellement la vie de nombreuses façons et sont indispensables à l'électrification en vue d'un avenir plus durable avec moins d'émissions de carbone. L'optimisation de l'efficacité énergétique des machines électriques est essentielle pour réduire la consommation de ressources.
Quels sont les avantages de la simulation de machines électriques ?
La simulation électromagnétique contribue aux objectifs de performance et de développement durable grâce aux possibilités suivantes :
- Créer des moteurs électriques efficaces qui utilisent moins de matériaux
- Offrir une plus grande efficacité
- Produire moins de bruit et de vibrations
Les ingénieurs peuvent optimiser leurs conceptions électromagnétiques pour obtenir une efficacité maximale selon le régime de fonctionnement requis et trouver les meilleurs compromis entre des facteurs de conception concurrents.
Comment les moteurs électriques sont-ils simulés ?
Les moteurs électriques sont des équipements complexes qui, par définition, nécessitent des fonctionnalités de simulation multiphysique. Les forces électromagnétiques sont converties en couple dans un moteur électrique. À l'inverse, un générateur utilise la rotation mécanique pour produire de l'énergie électromagnétique. Dans les véhicules électriques modernes, le moteur de traction électrique sert également de générateur pour récupérer de l'énergie grâce au freinage régénératif. L'analyse de la conversion de l'un à l'autre nécessite une analyse de mouvement capturant les changements de comportement de la machine au fil du temps.
Les ondulations de la courbe de couple peuvent entraîner du bruit et des vibrations dans la machine. Les courants élevés à l'intérieur des machines électriques peuvent également générer une chaleur importante. L'évaluation précise du couplage des forces électriques et mécaniques nécessite des options complètes de modélisation de matériaux. Outre les pertes électriques traditionnelles dans les conducteurs modélisés de manière réaliste, les options de modélisation incluent les effets de magnétisation et de démagnétisation des matériaux en cours de fonctionnement. Nous sommes en mesure de prendre explicitement en compte les pertes de fer telles que les courants de Foucault, l'hystérésis et les pertes en excès/rotationnelles pendant la simulation. Ces pertes peuvent être utilisées dans une analyse thermique de la machine.
Simulation du système d'un moteur électrique
Une machine électrique fait toujours partie d'un système plus grand, avec des circuits électriques et des contrôleurs d'un côté et des mécanismes de transmission et des boîtes de vitesses de l'autre. Le modèle de simulation peut être connecté en tant qu'unité de maquette fonctionnelle à une représentation de l'ensemble du système, y compris les contrôleurs, pour une simulation système du comportement de la machine dans des scénarios réels.
Les KPI des machines électriques qui peuvent être calculés via la simulation sont notamment les suivants :
- Efficacité
- Inductance
- Courbes de saturation
- Analyse des courts-circuits
- Analyse des circuits ouverts
- Courant d'appel/test de charge
- Transitoires de commutation
- Pertes – cuivre, courants de Foucault, hystérésis
- Forces dynamiques des bobines
- Bruit et vibrations
Applications de la simulation de machines électriques
- Cartes d'efficacité
- Transitoires de commutation
- Analyse des champs parasites et des blindages
- Bruit et vibrations
- Modélisation du système
Cartes d'efficacité
L'efficacité énergétique est essentielle pour réduire les coûts d'exploitation, augmenter l'autonomie des véhicules et atteindre les objectifs de développement durable. La simulation permet d'optimiser les machines électriques pour augmenter leur efficacité. L'efficacité varie généralement en fonction de la vitesse et du couple. La simulation automatisée permet de calculer et de cartographier rapidement l'efficacité sur l'ensemble du régime de fonctionnement, sans les délais et les coûts inhérents aux tests physiques.
Transitoires de commutation et courant d'appel
Lorsqu'une machine est allumée, le courant afflue dans les bobines. Il produit alors des effets transitoires qui sont différents du fonctionnement en régime permanent de la machine. La simulation dans le domaine temporel modélise le comportement de la machine dans les premiers moments cruciaux. Elle contribue à garantir des performances optimales à partir d'un état stationnaire.
Analyse des champs parasites et des blindages
L'intensité du champ à l'intérieur d'un moteur ou d'un générateur de grande taille peut être considérable et ces champs sont susceptibles d'interférer avec les appareils sensibles. Le blindage empêche les fuites de champ, mais augmente le coût et le poids. La simulation permet d'optimiser le blindage afin de cibler les endroits où il est le plus nécessaire pour répondre à la fois aux exigences de compatibilité électromagnétique (EMC) et de poids.
Bruit et vibrations
Pour de nombreuses applications, en particulier les moteurs des appareils électroménagers et des véhicules électriques, le bruit et les vibrations sont deux des indicateurs clés de performance les plus importants à cibler. Le bruit peut être causé par des effets magnétiques (par exemple, le couple de saillance), mécaniques (par exemple, les roulements) ou aérodynamiques (flux d'air dans la machine). La simulation multiphysique permet de modéliser ces différentes sources et peut contribuer à réduire ou atténuer le bruit et les vibrations.
Modélisation du système
Les machines électriques sont souvent contrôlées par des systèmes électroniques. Le système fournit une puissance adaptée à la charge et à la vitesse de fonctionnement requises du moteur. Pour comprendre les performances, il convient de prendre en compte les contrôleurs. La simulation du système permet d'intégrer le modèle de machine électrique dans une représentation de l'ensemble du système pour modéliser le couple et l'efficacité dans des conditions de charge réalistes.
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