Avez-vous déjà vu un véhicule électrique démarrer en trombe ? Le couple instantané est impressionnant, mais derrière cette accélération silencieuse se cache un défi d'ingénierie majeur : la gestion de la chaleur. Alors que les groupes motopropulseurs des véhicules électriques recherchent une densité de puissance plus élevée et un poids plus léger, la maîtrise des limites thermiques est devenue le principal facteur limitant la longévité et les performances de la transmission.

L'huile n'est plus seulement un lubrifiant assurant la rotation fluide des engrenages. Grâce à sa conductivité thermique et à sa capacité thermique massique élevées, elle agit comme un fluide caloporteur diélectrique essentiel, pulvérisé directement sur les parties les plus chaudes du moteur. La simulation de ces interactions fluide-thermiques complexes et rapides a toujours représenté un défi de taille en termes de calcul. C'est pourquoi la sortie de Simcenter STAR-CCM+ 2606 est une avancée majeure pour les ingénieurs en simulation.

La bataille cruciale contre la chaleur des moteurs électriques

Bien que les moteurs électriques soient extrêmement efficaces (convertissant souvent plus de 94 % de l'énergie électrique en puissance mécanique), la fraction restante est dissipée sous forme de chaleur. Pour un moteur de 200 kW, cela représente environ 12 kW de chaleur perdue, concentrée dans un boîtier compact. Si cette énergie thermique n'est pas maîtrisée, les conséquences peuvent être désastreuses. Les températures excessives dégradent l'isolation des enroulements en cuivre, augmentent la résistance électrique (ce qui génère encore plus de chaleur) et réduisent de façon permanente la densité de flux des aimants du rotor.

Cette chaleur provient principalement de deux facteurs :

• Pertes par effet Joule : générées lors du passage du courant électrique dans les enroulements en cuivre. Ces pertes étant proportionnelles au carré de l’intensité du courant, elles augmentent rapidement en cas de forte accélération ou de remorquage.
• Pertes fer : causées par les courants de Foucault et l'hystérésis magnétique au sein des noyaux du stator et du rotor lorsqu'ils subissent des champs magnétiques alternatifs rapides.

Pour remédier à ce problème, les ingénieurs utilisent des jets fixes et rotatifs pour pulvériser de l'huile diélectrique directement sur les enroulements d'extrémité. Cependant, prédire avec exactitude la manière dont cette huile enrobe, adhère et refroidit les enroulements s'est toujours avéré extrêmement difficile en raison des échelles de temps très différentes en jeu. Les gouttelettes d'huile se déplacent en quelques millisecondes, mais l'atteinte de l'équilibre thermique peut prendre plusieurs minutes.

Pourquoi la simulation traditionnelle a atteint ses limites

L'hydrodynamique à particules lissées (SPH) est une méthode sans maillage brillante pour modéliser les écoulements de fluides violents et turbulents dans des géométries complexes. Cependant, lorsqu'il s'agit de calculer le transfert de chaleur conjugué (CHT), le processus se complexifie.

Les ingénieurs devaient recourir à des modèles hybrides multiphasiques gourmands en ressources de calcul ou effectuer un mappage manuel des données. Cela impliquait de lancer une simulation de fluide, d'exporter manuellement les coefficients de transfert thermique (CTT) et de les importer dans un solveur thermique distinct. Pour mener une étude de conception comportant des dizaines d'itérations, la création de scripts et le transfert manuel des données constituaient un goulot d'étranglement fastidieux et source d'erreurs, ralentissant considérablement les cycles de développement.

L'élément révolutionnaire : le couplage direct SPH-résolveur d'énergie

Siemens a résolu ce goulot d'étranglement dans Simcenter STAR-CCM+ 2606 en couplant directement le solveur SPH avec le solveur d'énergie pour la simulation CHT dans un environnement unique et unifié.

Vous pouvez désormais modéliser simultanément l'évolution de la température du fluide, le transfert de chaleur aux parois et les variations de température du solide sans scripts d'exportation. De plus, cette nouvelle version vous permet d'appliquer directement les champs d'écoulement par volumes finis (FV) aux simulations SPH en tant que conditions de fond, avec un couplage complet de la traînée. Vous pouvez ainsi capturer avec une précision remarquable les effets de la résistance de l'air et des turbulences sur vos jets d'huile.

Boucler la boucle grâce à la multiphysique électromagnétique

Dans la réalité, les comportements thermiques et électriques ne sont pas indépendants. Les pertes par effet Joule et par effet fer sont fortement dépendantes de la température ; à mesure que le moteur chauffe, son rendement électrique diminue, ce qui modifie sa signature thermique.

Avec Simcenter STAR-CCM+ 2606, vous pouvez activer le solveur électromagnétique intégré (EMAG) et l'ajouter directement à votre d'opérations de simulation . Le refroidissement des enroulements par l'huile entraîne une mise à jour dynamique des pertes en fonction de la température. Cette simulation multiphysique en boucle fermée offre une précision inégalée pour les cas de charges thermiques transitoires extrêmes, comme la conduite d'un véhicule lourdement chargé sur un col escarpé.

Optimisation de chaque goutte avec Simcenter HEEDS

L'allègement du système exigeant une consommation d'huile minimale, chaque goutte de liquide de refroidissement doit être utilisée avec une efficacité maximale. Une fois votre modèle couplé SPH-thermique configuré, vous pouvez facilement paramétrer votre conception.

En modifiant le nombre de jets d'huile, leurs diamètres, angles et débits, vous pouvez optimiser le mouillage des enroulements d'extrémité. Grâce à l'absence de maillage dans SPH, ces modifications géométriques ne nécessitent aucune régénération manuelle fastidieuse du maillage. Vous pouvez intégrer directement votre modèle dans Simcenter HEEDS pour automatiser l'exploration de conception et laisser le logiciel trouver la configuration de jets optimale pour maximiser le transfert de chaleur.

L'intégration du couplage thermique direct dans SPH représente un progrès considérable pour le développement des groupes motopropulseurs de véhicules électriques. Elle élimine les contraintes de programmation fastidieuses, permettant aux ingénieurs de se concentrer sur leur cœur de métier : concevoir des machines plus rapides, plus efficaces et plus fiables.

Comment votre équipe relève-t-elle actuellement les défis complexes liés à la multiphysique du refroidissement des moteurs électriques ? Êtes-vous prêts à abandonner la cartographie HTC manuelle et à adopter un flux de travail entièrement couplé et sans maillage ? Partagez vos réflexions dans les commentaires ci-dessous !

Ce guide s'appuie sur les informations publiées sur le blog .

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