Le 22 avril, lors de la Conférence de l'industrie du cuivre et de l'Exposition de l'industrie du cuivre - Forum de l'industrie du transport et de la distribution d'électricité CCIE 2025 SMM (20e édition), organisée par SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center et Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., avec Jiangxi Copper Corporation et Yingtan Land Port Holdings Co., Ltd. en tant que principaux sponsors, Shandong Humon Smelting Co., Ltd. en tant que co-organisateur spécial, et Xinhuang Group et Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. en tant que co-organisateurs, Liang Dong, représentant en chef du Bureau de Pékin de l'International Copper Association et chef de projet pour le programme « Conduite bas carbone » / ingénieur principal, a prononcé un discours sur le thème « Tendances de développement des matériaux d'enroulement à base de cuivre dans l'industrie des moteurs et des transformateurs ».
Introduction des applications du cuivre dans les moteurs et les transformateurs
Classification et domaines d'application des produits de câbles et de fils électriques
Domaines d'application des fils d'enroulement
Tendances de recherche sur les fils d'enroulement en alliage de cuivre
Conducteurs à hautes performances : conducteurs à faible teneur en oxygène, à haute flexibilité, à haute résistance et à haute conductivité.
Applications du cuivre dans les moteurs et les transformateurs
Il a cité des exemples d'applications du cuivre dans les moteurs et les transformateurs pour illustrer ses points.
Tendances de développement dans les moteurs et les transformateurs
Tendance mondiale vers la décarbonisation
• UE : Réduire les émissions de gaz à effet de serre de 55 % par rapport aux niveaux de 1990 d'ici 2030 et atteindre la neutralité carbone d'ici 2050
• Japon : Atteindre la neutralité carbone d'ici 2050
• Royaume-Uni : Atteindre des émissions nettes zéro d'ici 2045 et la neutralité carbone d'ici 2050
• Canada : Atteindre la neutralité carbone d'ici 2050
• Chine : Atteindre le pic des émissions de carbone d'ici 2030 et la neutralité carbone d'ici 2060
• En septembre 2023, plus de 150 pays se sont engagés à atteindre la neutralité carbone, couvrant plus de 80 % des émissions mondiales de CO2, du PIB et de la population.
Le processus d'atteindre le pic des émissions de carbone et de la neutralité carbone est un processus d'électrification et de réélectrification à l'échelle de la société.
La réélectrification nécessite une amélioration supplémentaire de l'efficacité énergétique du côté de la demande.
Le processus d'atteindre le pic des émissions de carbone et de la neutralité carbone est un processus d'électrification et de réélectrification à l'échelle de la société ; l'électrification fait référence à la transition des sources d'énergie traditionnelles (telles que le charbon et le pétrole) vers l'électricité ; la réélectrification implique une optimisation supplémentaire, telle que l'utilisation d'énergies renouvelables pour la production d'électricité ou l'amélioration de l'efficacité du système électrique.
Efficacité des différents systèmes d'entraînement
Le rendement thermique estimé des machines à vapeur en 1840 était d'environ 3 %, tandis que les machines à vapeur à condensation ultérieures atteignaient 8 %, le rendement thermique le plus élevé des machines à vapeur n'excédant pas 20 %. ⇒ Le rendement thermique des moteurs à essence dans les voitures particulières est généralement inférieur à 40 %, tandis que les moteurs diesel peuvent atteindre 40-46 %.
Les systèmes d'entraînement électriques ont le rendement le plus élevé, généralement supérieur à 90 % et pouvant dépasser 95 %.
Rendement thermique des moteurs à combustion interne
• La limite supérieure du rendement thermique des moteurs à combustion interne est le cycle de Carnot, ce qui signifie que plus la différence de température entre la source de chaleur à haute température et la source de chaleur à basse température est importante, plus le rendement thermique est élevé ;
• Pour qu'un moteur atteigne un rendement de 95 % du cycle de Carnot, la source de chaleur à haute température devrait être de 23 000 °C ;
• Le cycle de Carnot est un processus idéal et, en réalité, plus la température est élevée, plus il est difficile d'atteindre des conditions adiabatiques, ce qui entraîne un rendement réel beaucoup plus faible que celui du cycle de Carnot ;
• La seule méthode d'entraînement dont le rendement énergétique dépasse 95 % dans la pratique est le système de moteur électrique.
Orientations de développement pour les moteurs et les transformateurs à haut rendement
➢ « Avis directifs sur la coordination de l'économie d'énergie, de la réduction du carbone et du recyclage pour accélérer la mise à niveau et la transformation des équipements de produits clés » : d'ici 2025, la proportion de moteurs à haut rendement et à économie d'énergie en service (niveau d'efficacité 2 et au-dessus) augmentera de plus de 5 points de pourcentage par rapport à 2021, et la proportion de moteurs à haut rendement et à économie d'énergie nouvellement ajoutés augmentera de 15 points de pourcentage par rapport à 2021, la proportion de transformateurs à haut rendement et à économie d'énergie augmentant de plus de 10 points de pourcentage.
➢ « Plan d'action pour l'amélioration de l'efficacité énergétique industrielle » : mettre l'accent sur les équipements à forte consommation d'énergie tels que les moteurs, les transformateurs et les chaudières, et mener en permanence des actions d'amélioration de l'efficacité énergétique, augmentant l'application d'équipements à forte consommation d'énergie à haut rendement.
➢ « Plan d'action pour l'économie d'énergie et la réduction du carbone pour 2024-2025 » : d'ici 2025, la proportion de moteurs à haut rendement et à économie d'énergie et de transformateurs à haut rendement et à économie d'énergie en service augmentera chacune de plus de 5 et 10 points de pourcentage, respectivement.
➢ « Lignes directrices de mise en œuvre pour la mise à niveau, la transformation et le recyclage des moteurs (édition 2023) » : encourager les fabricants de moteurs à accroître l'innovation et à améliorer l'efficacité énergétique, et promouvoir les entreprises des industries clés à vérifier l'efficacité énergétique et l'état d'entretien de leurs équipements, en mettant à niveau et en transformant les moteurs dont l'efficacité énergétique est inférieure au niveau d'entrée (niveau d'efficacité 3).
Tendances mondiales des moteurs électriques à haut rendement
Il a fourni une introduction détaillée des tendances de développement des moteurs électriques à haut rendement dans plusieurs pays du monde.
Moyens d'améliorer l'efficacité des moteurs électriques
Augmenter l'utilisation de matériaux efficaces, réduire les pertes d'enroulement et de fer ; utiliser de meilleurs matériaux magnétiques et des mesures de traitement pour réduire les pertes de fer ; réduire la taille du ventilateur pour diminuer les pertes de ventilation ; réduire les pertes parasites par des mesures de conception et de traitement ; appliquer une conception d'optimisation assistée par ordinateur pour réduire les pertes et améliorer l'efficacité ; utiliser des rotors à aimants permanents et des rotors en cuivre pour réduire les pertes de rotor ; combiner les technologies de l'information et de l'électronique de puissance pour améliorer l'efficacité du système.
Nouveau type de moteur électrique – Moteur électrique à double rotor
Le stator d'un moteur à double rotor est situé au milieu, avec un rotor à l'intérieur du stator et un rotor à l'extérieur du stator.
• Les rotors intérieur et extérieur tournent de manière synchrone.
• Des fils électromagnétiques sont installés sur le stator central pour générer un champ magnétique.
• Les principaux avantages des moteurs à double rotor sont leur efficacité remarquable et leur réduction substantielle de la consommation de matériaux (principalement de l'acier électrique).
Moteur électrique à coupe creuse
• Les moteurs à coupe creuse tirent leur nom de la conception de leur rotor. Le rotor d'un moteur à coupe creuse s'écarte de la structure traditionnelle des moteurs, utilisant un rotor sans noyau, qui est une structure creuse en forme de coupe avec des enroulements et des aimants à l'intérieur.
• Cette structure de rotor élimine complètement les pertes par courants de Foucault causées par le noyau, réduisant considérablement le poids et l'inertie de rotation, diminuant ainsi les pertes d'énergie mécanique dans le rotor lui-même.
• En 1958, DFFaumhaber en Allemagne a développé la technologie de bobinage oblique et, après développement et amélioration continus, a obtenu le brevet de la technologie de bobinage oblique du rotor de moteur à coupe creuse en 1965, marquant la naissance du moteur à coupe creuse.
• Les moteurs à coupe creuse sont principalement utilisés dans les articulations de mains adroites.
Exigences relatives aux matériaux de cuivre dans les nouveaux systèmes de moteurs électriques
► Moteur électrique à coupe creuse
• Exigences de conductivité : les enroulements des moteurs à coupe creuse utilisent généralement du fil de cuivre à haute conductivité pour réduire la résistance et les pertes d'énergie, améliorant ainsi l'efficacité et les performances du moteur.
• Exigences de résistance : bien que les enroulements des moteurs à coupe creuse mettent principalement l'accent sur la conductivité, le fil de cuivre doit également présenter un certain niveau de résistance mécanique pour résister aux forces électromagnétiques et aux forces centrifuges pendant le fonctionnement du moteur. De plus, des composants tels que les collecteurs et les balais peuvent utiliser des alliages de cuivre, tels que le cuivre argenté et le cuivre chrome-zirconium, qui maintiennent une conductivité élevée tout en offrant une meilleure résistance et une meilleure résistance à l'usure, adaptés à des contacts fréquents des balais et à la transmission de courant.
► Moteur électrique à double rotor
• Exigences de conductivité : les enroulements de rotor des moteurs à double rotor utilisent généralement des matériaux de cuivre à haute conductivité pour réduire la résistance d'enroulement, minimiser les pertes d'énergie et améliorer l'efficacité et la densité de puissance du moteur. L'excellente conductivité du cuivre conduit efficacement le courant, assurant le fonctionnement normal du moteur.
• Exigences de résistance : la structure de rotor des moteurs à double rotor est relativement complexe et doit résister à des contraintes mécaniques et à des forces électromagnétiques élevées. Par conséquent, le matériau de cuivre doit avoir une résistance et une ténacité suffisantes pour assurer la stabilité et la fiabilité du rotor sous des rotations à grande vitesse et des variations de charge. Certains moteurs à double rotor à hautes performances peuvent utiliser des alliages de cuivre, qui offrent une résistance et une dureté plus élevées tout en maintenant un certain niveau de conductivité.
Tendances de développement des matériaux à base de cuivre
Moteurs à haut rendement - Fils plats en cuivre
Dans le domaine des moteurs d'entraînement des véhicules électriques, les moteurs à fils plats sont actuellement la forme dominante des enroulements de moteur.
Comparés aux fils ronds, les fils plats facilitent une augmentation du facteur de remplissage des encoches des moteurs. Généralement, le facteur de remplissage des encoches des moteurs à fils ronds est d'environ 50 %, tandis que celui des moteurs à fils plats peut dépasser 70 %.
L'utilisation de fils plats permet de remplir plus de fils de cuivre dans le même espace d'encoche de stator, permettant un flux de courant plus élevé, générant un champ magnétique plus fort et améliorant ainsi la densité de puissance.
Il fournit également un exemple comparant les performances des fils ronds et plats dans un certain moteur d'entraînement.
Moteurs à haut rendement - Rotors en cuivre
Amélioration de l'efficacité, réduction de l'élévation de température, assurance d'un fonctionnement fiable, réduction de la taille et du poids, et réduction des coûts des moteurs.
Il compare un moteur de 75 kW-2 avec rotor en cuivre et un autre avec rotor en aluminium.
Les rotors en cuivre présentent également des problèmes tels que de nombreux points de soudure, des procédés complexes, une résistance mécanique instable, un contrôle de qualité difficile, une faible homogénéité, la nécessité d'un traitement distinct des anneaux d'extrémité et des barres (entraînant des coûts élevés), une faible efficacité de production et des difficultés de production à grande échelle.
Il présente également les alliages de cuivre moulés sous pression aux terres rares et les alliages de cuivre à haute résistance et haute conductivité (généralement désignant des alliages avec une résistance à la traction σb ≥ 600 MPa et une conductivité ≥ 80 % IACS).
Solutions en cuivre à haut rendement - Amélioration de la conductivité
Le « super cuivre » est fabriqué en empilant du graphène (connu pour sa conductivité et ses propriétés mécaniques) avec des feuilles de cuivre, ce qui permet de combiner les avantages du graphène et du cuivre. Actuellement, la conductivité du super cuivre peut être augmentée jusqu'à 106-108 % IACS.
