Moteurs électriques intégrés dans les roues - JEEA2009

Moteurs électriques intégrés dans les roues
Christophe Espanet
Université de Franche-Comté
Institut FEMTO-ST, département ENISYS
Journées du club EEA, Lille, 11&12 mars 2009
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
Journées du club EEA, Lille, 11&12 mars 2009
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Architecture directement issue du
véhicule traditionnel
•
Solution très proche des
véhicules traditionnels
•
Réduction du couple max
et de la puissance max
Embrayage
Moteur
électrique
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Boite de
vitesse
Différentiel
MAIS
•
Creux de couple
•
Mauvaise utilisation des
propriétés intrinsèques
des entrainements
électriques
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Suppression de la boite de vitesse
Moteur
électrique
Réducteur
fixe
Différentiel
•
Suppression de
l’embrayage
•
Solution toujours très
proche d’un véhicule
traditionnel
MAIS
•
•
•
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Encombrement de la
fonction motrice
Rendement, bruit et
fiabilité de la
transmission
Pas de contrôle
indépendant de
chaque roue
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Disposition des moteurs à
proximité des roues
•
Contrôle indépendant
des roues (2 voire 4)
•
Utilisation possible
d’un réducteur de
façon simple
Réducteur
Moteur
électrique
Moteur
électrique
MAIS
•
Architecture véhicule
en rupture
•
Rendement du
réducteur
•
Encombrement local
Réducteur
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Simplification ultime : intégration du
moteur (et éventuellement du
•
réducteur) dans la roue
Moteur-roue
Moteur-roue
Contrôle indépendant des
roues (2 voire 4)
•
Grande compacité de la
fonction motrice
•
Rendement optimal de la
« transmission »
MAIS
Moteur-roue
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Moteur-roue
•
Difficultés d’intégration
•
Contraintes importantes
sur le moteur (surtout en
l’absence de réducteur)
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Réalisation possible d’une chaîne hybride simplifiée (plug’in)
Moteur-roue
Embrayage
Moteur
thermique
Boite de
vitesse
Différentiel
Projet ANR PHEBUS, 2007
(AIXAM, FEMTO, NSI, SERA, NOVELTE)
Moteur-roue
General Motors, 2006
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•
Électrification simple du train arrière
•
Propulsion électrique + récupération
d’énergie au freinage
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dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Principaux avantages du moteur-roue
•
Compacité de la fonction motrice
permet de libérer de la place pour les sources d’énergie
électrique
•
Suppression de la transmission mécanique
rendement élevé car le moteur entraine directement les roues
diminution du bruit, amélioration de la fiabilité
•
Possibilité de contrôle vraiment indépendant de chaque
roue
réalisation simple de fonction avancée : antipatinage,
répartition du couple…
possibilité de pivot
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Problème des masses non suspendues
Amortissement
du véhicule
Masse non suspendue
Amortissement
du pneu
Le véhicule, son pneu et sa
suspension constituent un
système oscillant
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irrégularité de la route
déformation du pneu
et de l’amortisseur
Si l’effet inertiel de la masse
m1 est trop grand :
•
•
risque de décollement
du pneu
fréquence des
oscillations plus basse
(les oscillations durent
plus longtemps)
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Analyse des solutions multi-moteurs : hypothèses
•
•
On considère uniquement le cas de machines synchrones
Expression simplifiée du couple (classique) :
kw : coefficient de bobinage
Fp
T = 2 kw Vag B ag
π pR
Vag : cylindrée
Bag : induction moyenne sous un pôle dans l’entrefer
Fp : Force magétomotrice par pôle
p : nombre de paires de pôles
R : rayon d’entrefer
•
La masse totale de la machine est proportionnelle à la cylindrée
•
Les pertes fer sont négligées et les pertes Joule sont
proportionnelles à la densité de courant dans les encoches et la
charge linéique
Les échauffements sont proportionnels aux pertes Joule et
inversement proportionnels à R2
•
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Analyse des solutions multi-moteurs : comparaison à
rendement des moteurs constants
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Analyse des solutions multi-moteurs : comparaison à
échauffements des moteurs constants
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
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3. Contraintes de dimensionnement des moteurs-roues
Optimisation de l’encombrement et de la masse
•
Le volume est limité par l’encombrement de la roue
•
En l’absence de réducteur le couple doit être très important
machines à forte polarité et faible vitesse
•
En présence de réducteur, il faut intégrer le réducteur mais la
machine est moins volumineuse car elle doit fournir moins de
couple
machines rapides à faible polarité
•
Encombrement limité + fort couple = forts échauffements
difficulté pour refroidir le moteur et intégrer le système de
refroidissement
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3. Contraintes de dimensionnement des moteurs-roues
Optimisation de l’ensemble machine-convertisseur
T
Tmax
impose le volume et les
Ampère-tours max : (n.I)max
Zone de
fonctionnement à
puissance max
constante
• Pour une tension max
donnée
• Plus Ωd est faible, plus le
nombre de spires n peut être
élevé et donc plus le courant
Imax peut être faible pour des
(n.I)max fixés
• Cela permet de limiter le
dimensionnement des
interrupteurs de puissance
et de la connectique
Ω
Ωd : vitesse pour laquelle on atteint la tension
maximale disponible (l’augmentation de la vitesse se
fait par défluxage pour Ω > Ωd)
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3. Contraintes de dimensionnement des moteurs-roues
Les différentes motorisations possibles
Critère
MCC
MAS
MSRB
MSAP
MRV
Couple
+
-
-
++
+
Rendement
-
-
+/-
++
+
Possibilité de
vitesse élevée
-
+/-
-
+/-
+
Facilité du
refroidissement
-
-
+/-
+
+
Facilité du
défluxage
+
+
+
+/-
+/-
Robustesse
-
+
-
+
+
Coût
+
+
-
-
+
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Le moteur-roue : une idée ancienne…… ☺
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
L’application la plus répandue : le vélo électrique
Le plus souvent :
•
•
•
•
Vavecrest Laboratories
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•
Moteur synchrone à
aimants en surface
Attaque directe
Puissance de 150 à
300 W
Vitesse de 200 à 250
tr/min
Refroidissement par
convection naturelle
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue asynchrone d’Alstom
ALSTOM CIVIS, 1999
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• Moteur asynchrone +
réducteur
• 60-120 kW
• Vitesse max : 9200
tr/min
• Couple max : 500 N.m
• Refroidissement par
convection forcée (eau
+ glycol)
• Masse : 120 kg
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteurs-roues TM4 : la technologie
•
•
•
•
Moteur synchrone à
aimants en surface
Attaque directe
Refroidissement par
liquide
Exemple :
Peak Power : 80 kW
Nominal Power @ 950 rpm : 18.5 kW
Peak torque : 670
Nominal torque @ 950 rpm : 180 Nm
Peak speed : 1385 rpm
Max continuous speed : 1235 rpm
Efficiency under continuous load @ 950
rpm : 96.3 %
Maximum supply voltage : 500 VDC
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue TM4 : exemple de véhicule
MINI QED (Quad Electric Drive), 2007
Emissions : Zero (4 hours)
Autonomy : 1000km
Top speed : 200kph minimum
Acceleration : 0–100kph > 5 seconds
Braking : No mechanical brakes
Fuel : gasoline
Fuel consumption : 65-80 mpg
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue Magnet Motors : technologie
M69
* Continuous power: 120 kW
* Maximum torque: 2130Nm
* Speed: 3210 rpm
* Dimensions: Ø 478mm x 180 mm
* Weight 90 kg
M70
•
* Continuous power: 50 kW
* Maximum torque: 1050 Nm
•
* Speed: 2200 rpm
* Dimensions: Ø 437mm x 134 mm •
* Weight 34 kg
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Moteur synchrone à aimants
permanents et rotor extérieur
Aimants montés en surface
Bobinages concentrés
refroidis par liquide
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue Magnet Motors : exemples de véhicules
•
Essentiellement des véhicules lourds avec de
nombreux moteurs-roues (jusqu’à 8)
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue du métro VAL
•
Moteur synchrone à aimants
permanents et rotor extérieur
Un étage de réduction
•
Puissance : 65 kW
•
Vitesse lente : 2100 tr/min
•
Développement par Fiat et
Matra, fabrication actuelle
par Alstom
•
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Active wheel de Michelin : structure générale
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•
Peu de détails sur les
performances et les
dimensions de la
machine
•
Puissance : 30 kW
continue
•
Vitesse : 18 000 tr/min
•
Masse totale : 5,8 kg
•
Densité de puissance :
6,55 kW/kg
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Active wheel de Michelin : conception de la machine
Informations issues de brevets
• 3 phases et 18 encoches
• Séparation culasse et dents
• Imprégnation des bobinages avec
un matériau à forte conductivité
• Refroidissement à eau
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• 6 pôles
• Concentration de flux
• Tenue des aimants par
cales métalliques
• Tenue des tôles par
tirants et flasques
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Active wheel de Michelin : deux exemples de véhicules
Mondial Automobile
Paris 2008
Véhicule urbain : Heuliez WILL
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Véhicule de sportVenturi Volage
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteurs NOVELTE / FEMTO : trois technologies développées
y
z
• Moteur synchrone à
AP en surface
• Moteur synchrone à AP
en surface
• 30 kW – 420 tr/min
max
• 45 kW – 435 tr/min max
• 6 000 N.m max en
direct pendant 1 min
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• 20 000 N.m max
pendant 20 s avec
réducteur intégré
x
• Moteur à réluctance excités
à effet Vernier et
rebouclage transversal du
flux
• 30 kW – 400 tr/min max
• 3 200 N.m max pendant 1
min sans réducteur
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Conclusions
•
Moteur-roue
architecture véhicule de rupture
(compacité de la fonction motrice, pas de
transmission, nouvelles fonctionnalités)
•
Nécessité de motorisations fortement optimisées (fort
couple dans un faible encombrement, refroidissement
très poussé, défluxage)
machine à aimants dans la
(quasi) totalité des cas
•
Limites actuelles : coût et vulnérabilité de la fonction
motrice
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Merci pour votre attention !
Moteurs électriques intégrés dans les roues
Christophe Espanet
Université de Franche-Comté
Institut FEMTO-ST, département ENISYS
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
D’autres exemples
Siemens VDO + Volvo
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