Le premier moteur au monde est un moteur à aimant permanent qui génère un champ magnétique d'excitation par un aimant permanent. Le développement des moteurs à aimant permanent s'accompagne en fait du développement des matériaux à aimant permanent.
L'acier au carbone utilisé à la fin du XIXe siècle n'a guère connu d'amélioration de sa rémanence Br au cours du siècle dernier, et l'amélioration du produit énergétique est due à l'augmentation de la coercivité Hc. L'amélioration de la coercivité est principalement due à la compréhension de sa nature, à la découverte de composés anisotropes hautement magnétocristallins et à l'avancement de la technologie de préparation.
Au début du 20e siècle, les gens utilisaient principalement l’acier au carbone, l’acier au tungstène, l’acier au chrome et l’acier au cobalt comme matériaux magnétiques permanents.
À la fin des années 1930, le développement réussi des matériaux magnétiques permanents AlNiCo a rendu possible l’application à grande échelle des matériaux magnétiques permanents.
Dans les années 1950, l’émergence de la ferrite de baryum a non seulement réduit le coût des aimants permanents, mais a également élargi la gamme d’applications des matériaux d’aimants permanents au domaine haute fréquence.
Dans les années 1960, l’émergence des aimants permanents en terres rares et cobalt a ouvert une nouvelle ère pour l’application des aimants permanents.
En 1967, Strnat et al. de l'Université de Dayton aux États-Unis ont réussi à fabriquer des aimants permanents SmCo5 par la méthode de liaison par poudre, marquant ainsi l'arrivée de l'ère des aimants permanents à base de terres rares. Jusqu'à présent, les aimants permanents à base de terres rares sont passés par la première génération de SmCo5, la deuxième génération de Sm2Co17 à durcissement par précipitation et sont passés à la troisième génération de matériaux d'aimants permanents Nd-Fe-B.
La valeur de sortie actuelle des matériaux magnétiques permanents à base de terres rares a largement dépassé celle des matériaux magnétiques permanents à base de ferrite, et la production de matériaux magnétiques permanents à base de terres rares est devenue une grande industrie.
Caractéristiques des moteurs à aimants permanents :
La puissance maximale des moteurs à aimants permanents atteint 1000 kW, le diamètre minimal est de φ0.8 mm, la vitesse maximale est de 300000 0.01 tr/min et la vitesse minimale est de XNUMX tr/min. Avec le développement des matériaux à aimants permanents à base de terres rares, les moteurs à aimants permanents à base de terres rares présentent les caractéristiques suivantes par rapport aux moteurs à excitation électrique :
Structure simple et haute fiabilité :
L'utilisation d'aimants permanents en terres rares permet de réduire considérablement le poids du moteur et de réduire son volume. L'élimination de la bague collectrice et des balais d'excitation améliore non seulement la facilité de traitement du moteur, mais améliore également considérablement la fiabilité mécanique du fonctionnement du moteur et augmente sa durée de vie.
Performance excellente:
Par rapport aux moteurs traditionnels, les moteurs à aimants permanents ont une structure simple. L'utilisation d'aimants permanents en terres rares peut également augmenter la densité de flux de l'entrefer, ajuster la vitesse du moteur à la valeur optimale et améliorer le rapport puissance/poids. Presque tous les générateurs modernes de l'aviation et de l'aérospatiale utilisent des générateurs à aimants permanents en terres rares.
Excellentes performances de contrôle :
Grâce aux hautes performances des matériaux à aimant permanent à base de terres rares, la constante de couple, le rapport couple/inertie, la densité de puissance, etc. du moteur sont considérablement améliorés. Grâce à une conception raisonnable, les indicateurs tels que l'inertie de rotation, les constantes de temps électriques et mécaniques peuvent être considérablement réduits, ce qui constitue les principaux indicateurs des performances de la servocommande.
Dans les moteurs à aimants permanents modernes, la conception des circuits magnétiques à aimants permanents est relativement complète et la force coercitive des matériaux à aimants permanents en terres rares est élevée, de sorte que la capacité des moteurs à aimants permanents à résister à la réaction d'armature et à d'autres démagnétisations est considérablement améliorée, et les paramètres de contrôle du moteur sont considérablement réduits sous l'influence de perturbations externes.
Étant donné que des matériaux magnétiques permanents sont utilisés pour remplacer l'excitation électrique, la conception de l'enroulement d'excitation et du champ magnétique d'excitation est réduite, réduisant ainsi de nombreux paramètres tels que le flux d'excitation, l'inductance de l'enroulement d'excitation, le courant d'excitation, etc., réduisant ainsi directement les variables ou paramètres contrôlables.
Haute efficacité et économie d'énergie :
Le moteur à aimant permanent à base de terres rares est un produit à haut rendement et à économie d'énergie, avec un taux d'économie d'énergie moyen de plus de 10 %, et le taux d'économie d'énergie du moteur à aimant permanent spécial à base de terres rares peut atteindre 15 à 20 %. Par rapport à l'ancien moteur de démarrage à courant continu à excitation série, le moteur de démarrage à aimant permanent à base de fer-bore en néodyme développé par GM aux États-Unis a augmenté son efficacité de 45 %. L'utilisation de moteurs à aimant permanent et de la technologie de régulation de vitesse à fréquence variable dans les pompes à eau, les ventilateurs et les compresseurs peut économiser plus de 30 % d'électricité.
La structure de base des moteurs à aimant permanent en terres rares est la suivante : le rotor est une structure à aimant permanent qui génère un flux d'entrefer, le stator est une armature et il y a des enroulements symétriques multiphasés. L'émergence des moteurs sans noyau et sans balais en terres rares est le résultat de l'utilisation de nouveaux matériaux et de nouveaux procédés.
L'armature est constituée d'un ensemble rigide composé de matériaux présentant une excellente résistance à la chaleur, qui peuvent fonctionner de manière stable pendant une longue période dans des conditions de température et de vitesse élevées ; comme l'armature n'a pas de noyau de fer et une petite inductance, la perte par hystérésis et la perte par courant de Foucault dans le noyau de fer sont complètement éliminées, et la fluctuation de couple causée par l'effet de fente est éliminée, ce qui présente d'excellentes performances de contrôle ; une efficacité de fonctionnement élevée, une faible élévation de température et une large plage de vitesse ; l'armature du moteur n'a pas de fentes et adopte une structure entièrement scellée en plastique, et le bruit et les vibrations sont très faibles lorsque la charge fonctionne.
Le moteur sans noyau à aimant permanent en terres rares est une innovation majeure, et il a réalisé trois percées technologiques majeures. Premièrement, par rapport à la conception traditionnelle de la structure du champ magnétique radial, la conception de la structure du champ magnétique axial est adoptée, ce qui améliore considérablement la densité de puissance et le rapport volumique du couple. Deuxièmement, le nouveau processus d'enroulement, le moulage sous pression de précision à haute pression et les matériaux polymères sont adoptés pour réduire efficacement la perte de cuivre de l'enroulement. Troisièmement, les tôles d'acier au silicium ne sont pas utilisées comme matériaux de noyau de stator et de rotor, ce qui élimine l'amortissement magnétique et la perte de fer, réduit la puissance motrice et réduit la source de chaleur de perte de fer.
Perspectives d'avenir des moteurs à aimants permanents
La consommation d'électricité des systèmes à moteur représente environ 60 % de la consommation nationale d'électricité, dont 10.4 %, 20.9 %, 9.4 % et 6 % pour les ventilateurs, XNUMX %, XNUMX % et XNUMX % pour les climatiseurs. Les systèmes à moteur sont nombreux et très répandus, avec un potentiel énorme d'économie d'énergie.
Selon les statistiques de l'association industrielle, la capacité totale installée de divers types de systèmes moteurs dans le pays est d'environ 700 millions de kW, et l'efficacité de fonctionnement est généralement de 10 à 20 points de pourcentage inférieure au niveau avancé à l'étranger, ce qui équivaut à un gaspillage d'environ 150 milliards de kWh d'électricité chaque année.
Les caractéristiques de performance les plus remarquables des moteurs à aimants permanents sont leur légèreté, leurs performances élevées, leur rendement élevé et leurs économies d'énergie. Les moteurs à aimants permanents à base de terres rares à hautes performances sont à la base de nombreuses nouvelles technologies et industries de haute technologie.
L'état actuel des applications des moteurs à aimants permanents à base de terres rares au pays et à l'étranger :
(1) Aérospatiale:Les États-Unis ont développé un moteur à courant continu sans balais à aimant permanent en terres rares de 12.6 kW et 9,000 95 tr/min pour entraîner les ailerons d'ascenseur de la navette spatiale, avec une efficacité de XNUMX %.
(2) Propulsion électrique des navires:Les navires à hautes performances utilisent généralement des systèmes de propulsion entièrement électriques. Les moteurs à aimants permanents sont largement utilisés comme moteurs de propulsion dans les systèmes de propulsion électrique à l'étranger.
(3) Industrie des ventilateurs et des pompes à eau: Principalement dans les systèmes d'entraînement de puissance des champs pétrolifères, les centrales électriques et les entreprises de production d'acier, le nombre de charges mécaniques telles que les pompes à eau et les ventilateurs est le plus élevé. C'est également la principale occasion de promotion et d'application des moteurs à aimants permanents en terres rares.
La Chine a encouragé l'utilisation de moteurs synchrones à aimants permanents en terres rares dans les unités de pompage des puits de pétrole et a formé une capacité de production annuelle de plus de 10,000 XNUMX unités. L'exploitation dans les champs pétroliers est bonne et a permis d'obtenir des avantages techniques et économiques significatifs.
(4) Industrie des ascenseurs : La plupart des grands fabricants d'ascenseurs étrangers utilisent des moteurs synchrones à aimant permanent pour entraîner les machines de traction sans engrenage. Leur rendement peut atteindre 0.9 ou plus, ce qui représente une économie d'énergie de plus de 30 % par rapport au système à structure moteur asynchrone à courant alternatif + boîte de réduction. Les ascenseurs nationaux Mitsubishi, Hitachi et Schindler ont tous adopté cette technologie.
Actuellement, les moteurs à aimants permanents évoluent vers une puissance élevée (vitesse élevée, couple élevé), une fonctionnalité élevée et une miniaturisation. En tant que produit aux perspectives d'application étendues au 21e siècle, son niveau d'industrialisation doit encore être amélioré.
En raison de ses excellentes performances et caractéristiques, on pense que dans un avenir proche, il sera largement utilisé dans divers domaines et pénétrera tous les aspects de la vie quotidienne et de la production industrielle. Avec l'attention et les investissements du pays dans le domaine des moteurs, les moteurs à aimants permanents vont sûrement prospérer !
