Les moteurs électromagnétiques sont les plus gros consommateurs d'énergie au monde
Il s'agit d'un problème de conversion d'énergie.
La conversion de l'énergie est une pratique humaine courante depuis que le premier homme a frappé deux pierres l'une contre l'autre et a créé une étincelle. Dans ce cas, l'énergie cinétique a été utilisée pour initier une réaction chimique qui a finalement produit de l'énergie thermique. Avec des matériaux naturels tels que le silex et la pyrite, il aurait fallu du temps et de la pratique pour obtenir les résultats souhaités. Depuis, nous recherchons et développons de nouveaux outils pour innover et améliorer la technologie. Avec chaque nouvelle découverte, la technologie change la façon dont nous vivons au quotidien. La plupart des technologies modernes ont un point commun : elles nécessitent de l'énergie, généralement de l'électricité, pour fonctionner. La majeure partie de cette énergie est fournie aux réseaux électriques nationaux par l'intermédiaire de centrales électriques. Ces stations utilisent des machines électromagnétiques pour convertir en électricité des sources d'énergie fossiles, nucléaires, solaires, éoliennes ou hydrauliques.
Quelle est notre consommation d'énergie ?
En 2020, le monde a consommé plus de 25 pétaWattheures d'électricité ! Ce nombre est composé de 25 et de 15 zéros ! Deux pays, la Chine et les États-Unis, ont consommé près de la moitié de cette électricité. La Chine a consommé plus de 7,5 pétaWattheures et les États-Unis plus de 4,0 pétaWattheures.
La consommation d'électricité est répartie équitablement entre nos maisons, nos immeubles de bureaux et nos diverses installations de production (1/3, 1/3, 1/3). Une maison typique aux États-Unis consomme 1,0 mégawattheure d'électricité par mois et 12,0 mégawattheures par an. Selon le dernier recensement, les États-Unis comptent 140 millions de foyers qui consomment ensemble 1,6 pétaWattheures d'électricité par an.
Le coût carbone des machines électromagnétiques
Le besoin d'énergie des machines électromagnétiques a des effets secondaires, notamment la création d'émissions de CO2. "Les moteurs électriques et les systèmes qu'ils entraînent constituent la plus grande utilisation finale d'une seule énergie et représentent plus de 40 % de la consommation mondiale d'électricité", selon le rapport de l'Agence internationale de l'énergie. Ce rapport prévoit que, sans changement de politique d'ici à 2030, l'utilisation de moteurs électromagnétiques produira 8 570 tonnes de CO2 par an.
De petits changements font une grande différence
Lorsque l'on considère l'ampleur de la consommation d'électricité et des émissions de CO2 correspondantes, il devient évident que nous, en tant que civilisation mondiale, devons mettre en place des pratiques visant à réduire à la fois la consommation d'électricité et le gaspillage d'électricité. La technologie est un moyen important de réduire la consommation d'électricité. Par exemple, les ampoules LED nous donnent la même lumière qu'une ampoule classique, mais en consommant 20 % de l'électricité utilisée auparavant ; cela représente une économie de 80 % pour chaque ampoule !
Si notre objectif est de réduire la consommation mondiale d'électricité, l'efficacité des moteurs électriques revêt une importance considérable, car les moteurs font partie d'un grand nombre d'appareils et de dispositifs. Les moteurs sont utilisés dans la réfrigération, la climatisation, les pompes, les compresseurs, les ventilateurs et bien plus encore, des sèche-cheveux aux souffleuses à neige, des petits trains aux trains de banlieue.
Si nous pouvons améliorer l'efficacité de chaque moteur électrique de seulement 1 %, cela représente une économie de 0,10 pétaWattheure par an, ce qui permettrait d'alimenter en électricité plus de 8 millions de foyers aux États-Unis !
Les moteurs du changement électromagnétique
Outre les avantages commerciaux liés à l'amélioration de l'efficacité des moteurs électriques, les réglementations/mandats des gouvernements et des collectivités exigent des rendements plus élevés. Aux États-Unis, par exemple, le DOE, l'EPA, l'EnergyGuide et les réglementations Energy Star insistent tous sur l'amélioration des performances des moteurs électriques.
La plus grande partie de la consommation d'électricité des moteurs est imputable aux moteurs de taille moyenne dont la puissance est comprise entre 0,75 kW et 375 kW. Ces types de moteurs sont utilisés dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, les pompes, les ascenseurs, les convoyeurs et la manutention et le traitement industriels. Ces moteurs électriques consomment plus d'électricité que les moteurs des machines d'autres tailles (68 % du total combiné de tous les moteurs électromagnétiques).
Comment les machines électromagnétiques pourraient nous sauver
Les fabricants de moteurs électriques disposent d'un grand potentiel pour résoudre ce problème mondial. Pour ce faire, ils auront besoin d'outils logiciels sophistiqués pour "construire et tester" ou prototyper virtuellement leurs conceptions à l'aide de simulations. Les simulations permettent aux ingénieurs et aux chercheurs de développer des conceptions plus efficaces pour un coût de recherche minimal et en un minimum de temps.
Un moteur électrique est un dispositif de conversion d'énergie qui transforme l'énergie électrique en énergie mécanique. L'énergie mécanique est ensuite utilisée pour effectuer une tâche ou un travail. La principale discipline physique impliquée dans un moteur est l'électromagnétisme ou EMAG. Cependant, afin de développer des conceptions offrant les meilleurs rendements possibles, le concepteur doit examiner le comportement du moteur d'un point de vue multiphysique.
Optimisation des conceptions électromagnétiques à l'aide de solutions multiphysiques
Une approche multiphysique permet à l'ingénieur de prendre en compte simultanément une myriade d'exigences et de limitations potentielles, ce qui lui permet d'effectuer un processus d'essai et d'optimisation robuste. Ses recherches peuvent inclure une simulation couplée EMAG et thermique. Cela permet aux matériaux de s'adapter aux répartitions locales de température lorsque le moteur chauffe. L'ingénieur peut également ajouter un système de refroidissement pour éliminer la chaleur et maintenir le moteur dans une plage de fonctionnement sûre. En outre, il peut être envisagé de coupler l'EMAG à une simulation mécanique. Ce processus permet au concepteur d'examiner les éventuelles modifications de forme des composants et d'évaluer la durabilité et la dynamique du moteur. Enfin, on peut envisager une simulation couplée EMAG et acoustique. Cela permet au concepteur d'examiner si la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique entraînerait la production de sons indésirables par le moteur pendant son fonctionnement. Toutes ces simulations permettent au concepteur d'explorer les possibilités et d'atténuer les comportements indésirables avant de construire un spécimen physique.
Ces simulations peuvent être réalisées à l'aide d'une série d'outils logiciels développés et fournis par Siemens Digital Industry Software. Ces outils sont disponibles dans le cadre du produit IAO appelé Simcenter. La simulation de chaque discipline physique est disponible de manière autonome ou peut être combinée en tant que simulation couplée avec une interopérabilité qui permet aux résultats de CAO, de maillage et de physique des composants d'être échangés en douceur au bout des doigts du concepteur.
Nous espérons que ce blog inspirera les fabricants de moteurs électriques et les aidera à revoir et à adopter de nouveaux outils. Ils peuvent ainsi innover et développer de nouvelles technologies qui améliorent l'efficacité de leurs moteurs. Nous devrions tous nous efforcer de réduire la quantité d'électricité que nous utilisons et l'empreinte carbone qui en découle. L'avenir de la civilisation en dépend.
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