Avions; Propulser l’aérospatiale et la défense vers de nouveaux sommets grâce à des moteurs magnétiques hautes performances

, Avions; Propulser l’aérospatiale et la défense vers de nouveaux sommets grâce à des moteurs magnétiques hautes performances

Par David Farnia, directeur de la R&D, Arnold Magnetic Technologies, et Aaron Williams, vice-président des ventes et du marketing, Arnold Magnetic Technologies

Les moteurs à aimants permanents hautes performances sont à l’origine d’avancées technologiques majeures dans les secteurs de l’aérospatiale et de la défense. Les innovations dans les domaines de la science des matériaux, du génie électrique, du génie mécanique et de la fabrication avancée ont contribué au développement de moteurs et de générateurs à aimants permanents de pointe qui prennent en charge les applications exigeant les plus hauts niveaux de densité de puissance, de fiabilité et de longévité.

Ces applications critiques incluent les systèmes de propulsion et de production d’énergie dans les avions militaires, les navires de surface, les sous-marins, les drones, les munitions portables et les véhicules blindés. En outre, ces technologies ont de nombreuses applications dans les satellites et l’électrification de l’aviation commerciale, facilitant des progrès remarquables tels que le décollage et l’atterrissage verticaux électriques (eVTOL).

Adoption à grande échelle

Les origines des moteurs à aimants permanents remontent à 1821, lorsque le scientifique britannique Michael Faraday réussit à produire un mouvement mécanique avec un aimant permanent et un courant électrique. Son travail de pionnier a jeté les bases du développement des premiers moteurs électriques à induction, qui finiront par devenir omniprésents. Ce n’est qu’à la fin du XXe siècle que l’industrie a connu une révolution avec les progrès des aimants aux terres rares hautes performances, conduisant à l’adoption généralisée des moteurs à aimants permanents.

Les moteurs à aimants permanents sont de plus en plus devenus le moteur de choix dans diverses applications bénéficiant d’un rendement énergétique et d’un rapport puissance/poids supérieurs, telles que les systèmes d’entraînement automobiles, les outils électriques, les appareils électroménagers et les systèmes CVC. L’efficacité de ces moteurs est particulièrement avantageuse pour les systèmes alimentés par batterie, augmentant ainsi l’autonomie des véhicules et la durée de fonctionnement des outils électriques.

Les constructeurs automobiles ont adopté ces moteurs dans leurs groupes motopropulseurs de véhicules électriques en raison de leur densité de puissance impressionnante, de leur efficacité et de leur taille compacte. Les outils électriques bénéficient également des moteurs à aimants permanents, car ils offrent une combinaison idéale de puissance élevée et de portabilité. De plus, leur conception sans balais améliore la fiabilité et la longévité par rapport aux conceptions traditionnelles de moteurs à induction.

L’efficacité est également cruciale pour la production d’électricité verte et rentable, qui fonctionne à l’opposé des moteurs électriques. La puissance électrique plus élevée des générateurs à aimant permanent se traduit par une capacité accrue et un retour sur investissement plus rapide, tout en réduisant également les coûts d’exploitation des systèmes à combustibles fossiles. Dans les éoliennes, les générateurs à aimants permanents éliminent le besoin de boîtes de vitesses, ce qui permet un fonctionnement nettement plus efficace. La compacité et la grande fiabilité qui en résultent sont particulièrement importantes, étant donné que les éoliennes sont situées au sommet de hautes tours difficiles d’accès et de maintenance.

Applications hautes performances

La densité de puissance et l’efficacité exceptionnelles de ces diverses applications présentent des avantages considérables. Cependant, c’est dans les secteurs de l’aérospatiale et de la défense que l’investissement dans la dernière technologie de moteur à aimant permanent donne les résultats les plus spectaculaires, poussant les rendements dans la fourchette élevée de quatre-vingt-dix pour cent et réalisant des améliorations remarquables dans l’optimisation très importante de la taille. , poids et puissance (SWAP).

Le rapport puissance/poids de ces moteurs les rend idéaux pour les systèmes de propulsion des avions, y compris les composants rotatifs et de poussée tels que les roues et les ventilateurs. Ils sont même utilisés pour alimenter les composants des satellites, permettant ainsi à l’engin de manœuvrer avec précision avec une consommation d’énergie minimale.

Les matériaux et sous-systèmes magnétiques avancés développés pour répondre aux températures, pressions et chocs mécaniques extrêmes des applications pétrolières et gazières en fond de trou se sont également avérés efficaces dans les applications exigeantes de l’aérospatiale et de la défense.

Atteindre des performances élevées

Atteindre les hautes performances requises par les secteurs de l’aérospatiale et de la défense a constitué un défi de R&D à multiples facettes, nécessitant des innovations dans la science des matériaux, la conception de moteurs, la fabrication de pointe et d’autres domaines. Examinons quelques-uns des principaux attributs des systèmes de moteur et de générateur à aimant permanent les plus performants.

Matériau de l’aimant

Lors de l’examen des matériaux magnétiques pour les applications de moteurs permanents hautes performances, le néodyme fer bore (NdFeB) et le samarium cobalt (SmCo) sont largement utilisés en raison de leur force magnétique élevée. Cependant, ils diffèrent sur plusieurs aspects clés qui peuvent influencer leur adéquation à diverses applications.

Les aimants NdFeB présentent une densité de flux magnétique plus élevée que les aimants SmCo, ce qui signifie qu’ils peuvent fournir une force de traction magnétique plus importante. Cela rend les aimants NdFeB adaptés aux applications nécessitant un couple de sortie plus élevé avec un poids plus léger, telles que les véhicules électriques ou les éoliennes. Cependant, les aimants NdFeB ont une moindre résistance aux températures élevées et sont plus sujets à la corrosion, ce qui peut nécessiter une gestion thermique supplémentaire ou un revêtement protecteur dans certaines applications.
D’autre part, les aimants SmCo offrent une stabilité thermique et une résistance à la corrosion supérieures. Par exemple, les matériaux magnétiques RECOMA 35E SmCo d’Arnold Magnetic Technologies, l’aimant samarium-cobalt le plus dense en puissance disponible, sont conçus pour les environnements les plus exigeants, notamment les vitesses élevées (100 000 tr/min+), les températures élevées (150 °C à 250 °C) et environnements très corrosifs.

Contrairement aux aimants en néodyme (Nd), qui nécessitent des niveaux élevés de dysprosium (Dy) rare pour fonctionner à des températures modérées, les aimants SmCo utilisent des matériaux plus largement disponibles et intrinsèquement stables à des températures bien supérieures au point de Curie du NdFeB. Cela rend les prix de SmCo plus stables et moins sujets aux changements du marché.

Arnold a établi des chaînes d’approvisionnement nationales pour les matériaux de terres rares afin de garantir une conformité totale avec toutes les exigences du département américain de la Défense.

Aimants laminés

La réduction des pertes par courants de Foucault dans les moteurs à aimants permanents est essentielle pour obtenir des performances optimales. Les courants de Foucault sont des courants de circulation induits dans les conducteurs par un champ magnétique changeant dans le conducteur. Ils peuvent provoquer des pertes d’énergie importantes, des surchauffes et même des dommages au moteur. Dans le contexte des moteurs à aimants permanents, ces pertes deviennent particulièrement préoccupantes en raison des hautes fréquences auxquelles ces moteurs fonctionnent.

Des tôles plus fines composées de matériaux de haute qualité dans les empilements de stator et de rotor sont cruciales pour la densité de puissance et l’efficacité des applications de moteurs à grande vitesse afin de réduire les pertes de noyau causées par les courants de Foucault. Les concepteurs cherchent à équilibrer le compromis entre puissance et chaleur. Cette technologie a toujours été utilisée dans l’acier laminé pour les moteurs, mais plus récemment, Arnold a développé des aimants de terres rares laminés minces de type L avec des couches isolées de moins de 20 µm et des couches magnétiques de 0,5 mm et plus dans des formes et des tailles personnalisées en fer néodyme. bore et samarium cobalt. Cela apporte les avantages traditionnels du laminage électrique de l’acier aux aimants eux-mêmes.

Manchons en fibre de carbone

Un autre facteur de conception important concerne le manchon qui maintient les aimants du rotor en place. L’objectif fondamental du manchon de rotor est mécanique : il contient en toute sécurité les aimants à grande vitesse.

Cependant, l’emplacement du manchon le positionne dans le trajet du flux entre le rotor et le stator. Si le manchon est conducteur, il engendrera des pertes joules. En utilisant un matériau non conducteur comme le manchon en fibre de carbone Wraptite d’Arnold, cette cause de pertes en joules peut être éliminée.

La fibre de carbone est non seulement moins dense que l’acier, ce qui améliore l’équilibre et les caractéristiques dynamiques du rotor, mais sa faible densité offre également une capacité de confinement plus élevée en réduisant les contraintes auto-induites à des régimes élevés. Le matériau léger en fibre de carbone contribue à améliorer les densités de puissance.

Les manchons en fibre de carbone présentent des avantages supplémentaires. L’objectif principal du manchon est de contenir les aimants sur le rotor, mais il est également important de tenir compte de la proximité du manchon par rapport au diamètre intérieur du stator. Les distorsions de densité de flux augmentent à mesure que la surface du manchon se rapproche des fentes du stator. Des distorsions de flux plus élevées entraînent des pertes par courants de Foucault plus élevées.

L’utilisation d’un manchon en fibre de carbone signifie que l’écart entre la surface du manchon et la surface du stator doit uniquement être fonction des exigences de tolérance mécanique, ce qui donne aux concepteurs de moteurs la flexibilité nécessaire pour concevoir des moteurs de manière optimale afin de minimiser les pertes par courants de Foucault et d’optimiser les performances.

La combinaison d’un manchon en fibre de carbone Wraptite avec un aimant laminé de type L fournira les performances structurelles nécessaires tout en réduisant les pertes du rotor jusqu’à 80 %.

En conclusion, le positionnement stratégique du manchon rotorique a un impact significatif sur l’efficacité du trajet du flux magnétique entre le rotor et le stator. En optant pour des matériaux conducteurs, notamment le manchon en fibre de carbone Wraptite d’Arnold, nous pouvons éliminer efficacement les pertes en joules causées par les manchons conducteurs. Les propriétés uniques de la fibre de carbone, telles qu’une densité inférieure à celle de l’acier, contribuent à un meilleur équilibre, à de meilleures caractéristiques dynamiques du rotor et notamment à une réduction des contraintes auto-induites à des régimes élevés.

Propulser l’avenir dans l’aérospatiale et la défense

Les progrès d’Arnold dans les matériaux à aimants permanents hautes performances, associés à une conception de moteur innovante, redéfinissent en effet les limites supérieures de la densité de puissance. Ils dépassent les contraintes antérieures et ouvrent la voie à de futures avancées technologiques dans les domaines de l’aérospatiale et de la défense.

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|{La Guerre sous-marine de 1917.,Référence litéraire de cet ouvrage.}
|{Encyclopédie anarchiste/Chatelet – Classes.,Référence litéraire de cet ouvrage. Disponible à l’achat sur les plateformes Amazon, Fnac, Cultura ….}
|{Encyclopédie anarchiste/Naturocratisme – Népotisme.,Référence litéraire de cet ouvrage. Disponible à l’achat sur les plateformes Amazon, Fnac, Cultura ….}
|{Encyclopédie anarchiste/Fer – Financier.,Référence litéraire de cet ouvrage. Disponible à l’achat sur les plateformes Amazon, Fnac, Cultura ….}
|{La Bataille de France/07.,Référence litéraire de cet ouvrage.}
|{Les Merveilles de la science/Les Aérostats.,Référence litéraire de cet ouvrage.}
|{Carnets de guerre d’Adrienne Durville/1918.,Référence litéraire de cet ouvrage. Disponible à l’achat sur les plateformes Amazon, Fnac, Cultura ….}
|{Mémoires du maréchal Joffre (1910-1917)/Tome 1/12.,Référence litéraire de cet ouvrage.}
|{Albertine disparue/Chapitre II.,Référence litéraire de cet ouvrage.}
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