Que sont les machines électriques ?

Les machines électriques forment un système de composants interconnectés qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique, ou vice versa, ou encore une forme d'énergie électrique en une autre. Aujourd'hui, elles sont utilisées dans de nombreux systèmes électroniques, des appareils ménagers comme les lave-linge aux implants médicaux en passant par la robotique. Elles sont responsables de la majeure partie de l'électricité générée et transmise grâce aux lignes électriques et aux autres infrastructures énergétiques. Un intérêt accru pour les machines électriques destinées aux véhicules électriques (EV) a récemment été observé.

Il existe deux catégories de machines électriques qui sont définies par le fait qu’une partie de la machine soit en mouvement ou non. Le premier type regroupe les machines électriques stationnaires, équipées de deux armatures fixes et aucune pièce mobile. Un transformateur constitue un exemple clé. Le deuxième type est composé des machines électriques rotatives ou linéaires, telles que les générateurs et les moteurs, toujours équipés d'une pièce mobile qui fonctionne en rotation ou en translation. Ces machines électriques sont dotées d'une pièce mobile (rotor ou moteur) et d'une pièce stationnaire (stator).

En tant que systèmes énergétiques bidirectionnels, les machines électriques peuvent théoriquement convertir l'énergie dans les deux sens, qu'il s'agisse d'un moteur ou d'un générateur. La sortie correspond à de l'énergie mécanique ou électrique.

Les transformateurs sont généralement classés dans la catégorie des machines électriques stationnaires, car la plupart n'ont pas d'armatures mobiles et ne nécessitent aucun mouvement pour transformer l'énergie. Toutefois, les générateurs et les moteurs sont des machines électriques dynamiques qui possèdent des pièces rotatives et utilisent le mouvement pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique et vice versa. Les machines électromécaniques tournantes fonctionnent généralement à travers l'interaction entre les champs électromagnétiques tournants, qui sont créés soit par une tension d'alimentation, soit par induction électromagnétique. Ces champs magnétiques tournants produisent également un couple sur le plan mécanique et induisent une tension et un courant sur le plan électrique.

Voici quelques-uns des avantages de cette technologie :

• Les moteurs électriques sont beaucoup plus efficaces que les autres systèmes de conversion d'énergie, tels que les moteurs à combustion interne (ICE), avec une efficacité supérieure à 90-95 % pour les véhicules électriques, contre 20-30 % pour les véhicules à combustion interne.
• Les machines électriques des véhicules électriques (VE) ont moins de pièces mobiles que les véhicules à moteur à combustion interne, ce qui contribue à allonger les cycles de vie attendus.
• Les machines électriques sont des technologies à zéro émission.
• Les machines électriques sont capables de convertir l'énergie de manière bidirectionnelle, fonctionnant soit en mode moteur, soit en mode générateur.

Voici quelques-uns des principaux inconvénients des machines électriques :

• Les machines électriques peuvent être limitées par leur approvisionnement ; par exemple, les véhicules électriques sont restreints par la capacité de stockage et les capacités de charge de leurs batteries. Contrairement à l'essence, qui a une densité d'énergie beaucoup plus élevée, les véhicules à moteur à combustion interne peuvent se permettre de perdre 70 % d'efficacité tout en restant commercialement viables.
• Le champ électromagnétique généré par les machines électriques peut avoir des répercussions sur les êtres vivants après une exposition prolongée.
• Les champs électromagnétiques des appareils électriques proches les uns des autres peuvent se perturber mutuellement, en raison d'une possible interaction s'ils se trouvent à une fréquence similaire. Ce phénomène est appelé l'interférence électromagnétique (IEM).
• Il existe une possibilité de défaut de court-circuit des machines électriques, ce qui pourrait déclencher un incendie.

Dans les machines électriques en mouvement, les champs électromagnétiques du stator et du rotor interagissent. Ces interactions peuvent se manifester sous diverses formes :

• Le champ du rotor est auto-excité (aimants permanents)
• Le champ du rotor nécessite une alimentation électrique séparée (moteurs synchrones à champ de tension)
• Le champ du rotor est créé par induction par le champ du stator (moteurs à induction)

Toute machine électrique en mouvement peut fonctionner comme un générateur ou un moteur. Lorsqu'elles fonctionnent comme des générateurs, les machines électriques convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique et sont utilisées dans les applications de génération d'énergie électrique. La production d'énergie renouvelable, notamment par les éoliennes et l'hydroélectricité, constitue un domaine d'application clé.

L'énergie est habituellement générée par un mouvement de rotation. Un mouvement linéaire pourrait être utilisé, mais l'appareil serait limité par sa taille. Le mouvement de rotation permet à la pièce mobile de se déplacer indéfiniment sans atteindre une limite pratique.

Une source d'énergie mécanique en entrée est nécessaire pour entraîner les générateurs. Certains exemples courants incluent le vilebrequin, les forces de l'air ou de l'eau dans les technologies d'énergie renouvelable, ainsi que la vapeur générée par la combustion de combustible et des réacteurs nucléaires. Ces forces entraînent le mécanisme principal de déplacement (comme un ventilateur ou une turbine) dans le générateur, ce qui déclenche son fonctionnement et convertit l'énergie de rotation en tension et en courant électrique.

Les générateurs sont disponibles sous différentes formes. Les générateurs CA (synchrone ou induction/asynchrone) convertissent l'énergie mécanique en courant alternatif et en tension. D'autre part, les générateurs à courant continu (CC) convertissent l'énergie mécanique en courant continu et en tension. Dans les générateurs synchrones, la tension est fixée à la vitesse de rotation du générateur, tandis que les générateurs à induction (asynchrones) ne nécessitent pas une vitesse de rotor fixe pour correspondre à la fréquence du réseau.

Les machines électriques convertissent l'énergie électrique en mouvement mécanique lorsqu'elles fonctionnent comme des moteurs. Les moteurs sont composés d'un arbre, de roulements qui servent de support et d'un carter qui contient tous les composants.

Le couple produit par un moteur provient de l'interaction électromagnétique des champs du stator et du rotor. Les enroulements du stator créent le champ magnétique tournant, tandis que le champ du rotor est créé soit par la rotation permanente de l'aimant, soit par le champ électromagnétique induit dans les enroulements du rotor, soit par la rotation des électroaimants. Le couple est proportionnel à la force physique générée par le moteur, qui est utilisée pour générer la vitesse dans le système auquel il est fixé (un véhicule, par exemple). Les onduleurs sont ensuite utilisés pour le contrôle de la vitesse dans le moteur en contrôlant la fréquence de l'alimentation du moteur pour s'assurer qu'il fonctionne en continu.

Voici quelques-unes des nombreuses industries et applications qui utilisent des moteurs :

• Machines industrielles
• Véhicules
• Appareils électroménagers
• Pompes
• Ventilateurs
• Robotique
• Équipement de remise en forme
• Drones
• Outils électriques

Les transformateurs font partie des machines électriques. Au lieu de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique ou vice versa, ils convertissent l'énergie électrique d'un niveau de tension à un autre avec une faible perte. Aucune conversion d'énergie mécanique n'est impliquée dans le fonctionnement des transformateurs, mais ils constituent des éléments essentiels de l'infrastructure du réseau qui permettent de transporter l'électricité sur de longues distances via des lignes de transmission à haute tension, puis de la rendre adaptée aux habitations raccordées aux réseaux de distribution basse tension.

Il existe deux types de transformateurs : le transformateur élévateur et le transformateur abaisseur. Tous deux transforment la tension de l'énergie électrique en une tension différente.

Les transformateurs élévateurs convertissent l'électricité basse tension en électricité haute tension prête pour les lignes de transmission. Le circuit secondaire d'un transformateur élévateur est davantage enroulé autour de l'aimant par rapport au circuit primaire, ce qui augmente la tension.

Les transformateurs abaisseurs réduisent la tension pour les habitations et les entreprises. Le circuit secondaire d'un transformateur abaisseur est moins enroulé autour de l'aimant que le circuit primaire, ce qui réduit la tension.

Les transformateurs sont essentiels, car l'électricité haute tension peut être transportée beaucoup plus efficacement sur de longues distances, mais ils sont trop dangereux pour une utilisation avec l'électronique usuelle. L'électricité doit être à une tension inférieure pour l'utilisation, et les transformateurs fournissent un moyen de modifier facilement la tension de l'électricité à des points spécifiques du réseau électrique.

La simulation est utilisée pour améliorer l'efficacité et les performances des machines électriques utilisées dans tous les secteurs. Les ingénieurs utilisent des simulations dans la conception de machines électriques afin de simuler les performances des pièces mobiles et fixes d'une machine électrique et obtenir un aperçu des performances thermiques, électromagnétiques et mécaniques pour garantir une conception efficace.

Solveur avancé de champ électromagnétique ANSYS Maxwell : résout les champs magnétiques et électriques statiques, à domaine de fréquence et variables dans le temps, à l'aide des méthodes des éléments finis 2D ou 3D. Le logiciel Maxwell est conforme à la norme ISO 26262.

Outil de conception de moteurs électriques Ansys Motor-CAD : plateforme dédiée pour la simulation multiphysique rapide sur toute la plage de fonctionnement couple-vitesse. Il utilise l'analyse par éléments finis (FEA) 2D intégrée, des calculs analytiques et des méthodes de circuit équivalentes pour les performances électromagnétiques. Il peut également aider à optimiser le système de refroidissement de la machine afin de minimiser les contraintes mécaniques et la réponse aux bruits, aux vibrations et à la dureté (NVH).

Logiciel d'analyse FEA structurelle Ansys Mechanical et logiciel de simulation de fluides Ansys Fluent : offrent des simulations de post-traitement plus détaillées et personnalisées pour la conception physique d'une machine électrique

Plateforme de conception et de simulation ANSYS ConceptEV : outil dédié à la simulation des groupes motopropulseurs de VE. Elle permet aux équipes d'ingénierie de conception de systèmes et de composants de collaborer sur une simulation de système partagée connectée aux exigences dès le début du processus de conception. Cela permet aux utilisateurs de déduire des spécifications pour le processus de conception de la machine électrique pour différents candidats d'architecture de véhicule, entre autres applications.

Plateforme de simulation de jumeau numérique Ansys Twin Builder : utilisée pour étudier les interactions entre les machines électriques et l'électronique de puissance dans un système. La machine électrique peut être modélisée par co-simulation avec des solutions logicielles telles que le logiciel Maxwell ou au moyen de modèles à ordre réduit (ROM) dans un environnement virtuel pour étudier différents scénarios.

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