L'histoire du développement du moteur à aimant permanent
Le développement des moteurs à aimants permanents est étroitement lié au développement des matériaux à aimants permanents. La Chine est le premier pays au monde à découvrir la spécialité magnétique des matériaux à aimants permanents et à l'appliquer à la pratique. Il y a plus de 2,000 XNUMX ans, la Chine utilisait la spécialité magnétique des matériaux à aimants permanents pour fabriquer une boussole. Ce rôle est devenu l’une des quatre inventions majeures de la Chine ancienne.
Le premier moteur au monde dans les années 1920 était un moteur à aimant permanent pour générer un champ magnétique par aimant permanent. Cependant, le matériau d’aimant permanent utilisé à cette époque était du minerai d’aimant naturel (Fe3O4). La densité d'énergie magnétique était très faible. Le moteur fabriqué avec lui était gros et fut bientôt remplacé par le moteur d'excitation.
Avec les besoins du développement rapide de divers moteurs et l'invention des chargeurs magnétiques actuels, les gens ont mené des recherches approfondies sur le mécanisme, la composition et la technologie de fabrication des matériaux à aimants permanents, et ont découvert l'acier au carbone et l'acier au tungstène (maximum énergie magnétique accumulée environ 2.7 kj/m3) Divers matériaux à aimants permanents tels que l'acier au cobalt (énergie magnétique maximale accumulée environ 7.2 kj/m3). Surtout dans les années 1930, les aimants permanents aluminium-nickel-cobalt (accumulation maximale d'énergie magnétique de 85 kJ/m3) et l'aimant permanent de l'aimant permanent en ferrite (l'accumulation maximale d'énergie magnétique peut atteindre 40 kJ/m3) dans les années 1950, et le magnétique les performances se sont considérablement améliorées et divers micro et petits moteurs utilisent des aimants permanents. La puissance du moteur à aimant permanent est aussi petite que plusieurs dizaines de watts. Il a été largement utilisé dans la production industrielle et agricole et dans la vie quotidienne, et sa production a fortement augmenté. En conséquence, cette période a également réalisé des progrès révolutionnaires dans la théorie de la conception, les méthodes de calcul, la charge de capacité et la technologie de fabrication du moteur à aimant permanent, et forme un ensemble de méthodes d'analyse et de recherche représentées par la méthode d'interprétation des cartes magnétiques permanentes. Cependant, la force tenace de l'aimant permanent en aluminium-nickel-cobalt (36 ~ 160 ka/m), la densité magnétique restante de l'aimant permanent de l'oxygène de fer n'est pas élevée (0.2 ～ 0.44 t), ce qui limite leur plage d'application dans le moteur. . Jusque dans les années 1960 et 1980, l'aimant permanent au cobalt et aux terres rares et l'aimant permanent au fer et au bore (tous deux collectivement appelés aimants permanents aux terres rares) sont apparus l'un après l'autre. Les excellentes propriétés magnétiques sont particulièrement adaptées à la fabrication de moteurs, de sorte que le développement des moteurs à aimants permanents entre dans une nouvelle période historique.
Les caractéristiques et l'application du moteur à aimant permanent
Comparé au moteur magnétique électrique traditionnel, le moteur à aimant permanent, en particulier le moteur à aimant permanent aux terres rares, présente une structure simple, un fonctionnement fiable, un petit volume, une qualité de lumière, une faible perte, un rendement élevé, la forme et la taille du moteur peuvent être flexibles et divers. Par conséquent, le champ d’application est extrêmement large et couvre presque tous les domaines de la production industrielle et agricole et de la vie quotidienne. Voici les principales caractéristiques de plusieurs moteurs à aimants permanents typiques et leurs principales applications.
1. Le générateur synchrone à aimant permanent de terres rares ne nécessite pas d'anneau de collecte ni de dispositif de brosse par rapport au générateur traditionnel. La structure est simple et réduit le taux d’échec. Grâce à un aimant permanent de terres rares, il peut également augmenter l'entrefer magnétique, augmenter la vitesse à la valeur optimale et augmenter le rapport qualité de l'énergie. Presque tous les générateurs aéronautiques et aérospatiaux contemporains utilisent des générateurs à aimant permanent aux terres rares. Le générateur à aimant permanent a également été utilisé comme machine d'incitation associée pour les grands générateurs à roue à vapeur. À l'heure actuelle, le moteur à combustion interne entraînant un petit générateur, le générateur à aimant permanent et le petit générateur d'air à aimant permanent à entraînement direct d'avant-garde pour une alimentation électrique indépendante sont progressivement promus.
2. Par rapport au moteur inductif, pour un moteur synchrone à aimant permanent efficace, il n'est pas nécessaire de n'avoir aucun courant d'incitation de puissance, ce qui peut améliorer considérablement le facteur de puissance (peut atteindre 1, même la capacité), réduire la perte de courant et de stator du stator. résistance, et il n'y a pas de consommation de cuivre du rotor pendant un fonctionnement stable, et cela peut réduire le ventilateur (un moteur de petite capacité peut même retirer le ventilateur) et la perte de vent correspondante. L'efficacité peut augmenter de 2 à 8 points de pourcentage par rapport au même capteur de spécifications. De plus, le moteur synchrone à aimant permanent peut maintenir un rendement et un facteur de puissance plus élevés dans la plage de 25 % à 120 % de la charge nominale, ce qui rend l'effet énergétique quotidien plus significatif pendant le temps d'exécution d'une charge légère. Ce type de moteur met généralement en place un enroulement de démarrage sur le rotor, qui a la capacité de démarrer directement à une certaine fréquence et tension. À l'heure actuelle, il est principalement utilisé dans les domaines des champs pétrolifères, des industries de fibres chimiques textiles, des industries de verre céramique et des pompes à ventilateur avec une longue durée de fonctionnement annuelle.
La Chine a développé indépendamment un moteur de synchronisation à aimant permanent à haut rendement qui peut résoudre le problème du « grand cheval pour conduire une petite voiture » dans l’application des champs pétrolifères. Le couple de démarrage est de 50 à 100 % supérieur à celui du moteur à induction. Le moteur inductif est d'environ 20 %.
La rotation de la charge dans l'industrie des fibres chimiques textiles est importante et nécessite un couple élevé. Concevoir raisonnablement le coefficient de fuite de charge à vide, le rapport convexe, la résistance du rotor, la taille de l'aimant permanent et les tours d'enroulement du stator du moteur synchrone à aimant permanent, ce qui peut améliorer les performances d'entrée du moteur à aimant permanent et le promouvoir vers le nouveau type de textile et de produit chimique. industrie de la fibre.
Des centaines de kilowatts, dans les industries du lait, du pétrole, de la chimie et autres, sont utilisés par des centaines de kW et de moteurs de pompes et de ventilateurs de qualité Muwa. Améliorez l'efficacité et le facteur de puissance, économisez de l'énergie et améliorez la fiabilité de fonctionnement.
3. Le moteur servo à aimant permanent AC et le moteur à aimant permanent DC sans balais utilisent désormais de plus en plus l'alimentation de l'onduleur et le moteur électrique AC pour remplacer le système de régulation de la vitesse du moteur DC. Dans le moteur à courant alternatif, la vitesse du moteur synchrone à aimant permanent maintient une relation constante avec la fréquence du réseau lorsqu'il fonctionne de manière stable, de sorte qu'il peut être utilisé directement pour le système de régulation de vitesse de conversion de fréquence qui peut être utilisé pour ouvrir la boucle. Ce type de moteur démarre généralement à partir de l’augmentation progressive de la fréquence de l’onduleur. Il peut être installé sur le rotor sans régler un enroulement de démarrage, et la brosse et le senseur sont sauvegardés pour maintenir un entretien pratique.
Le moteur synchrone à aimant permanent de l'onduleur et le système de contrôle en boucle fermée de la position du rotor constituent un moteur à aimant permanent autosynchrone. Il possède non seulement les excellentes performances de régulation de vitesse du moteur à courant continu à mobilisation électromotrice, mais réalise également un fonctionnement sans balais. Il est principalement utilisé pour des occasions de haute précision de contrôle et de haute fiabilité, telles que l'aviation, l'aérospatiale, les machines-outils CNC, les centres de traitement, les robots, les véhicules électriques, les équipements périphériques informatiques, etc.
Le moteur synchrone à aimant permanent NdFEB et le système d'entraînement avec une large plage de vitesse et un rapport puissance/vitesse constant élevé ont été développés. Le rapport de vitesse atteint 1:22,500 9 et la vitesse limite atteint 000 XNUMX tr/min. Le moteur synchrone à aimant permanent est le moteur le plus idéal dans les véhicules électriques, les machines-outils et autres dispositifs d'entraînement en raison de son rendement élevé, de ses faibles vibrations, de son faible bruit et de sa densité de couple élevée.
Avec l'amélioration continue du niveau de vie des gens, les exigences en matière d'appareils électroménagers sont de plus en plus élevées. Par exemple, les climatiseurs domestiques ne sont pas seulement une consommation d'énergie, mais aussi la principale source de bruit, et leur tendance de développement est d'utiliser des moteurs à courant continu sans balais à aimant permanent qui peuvent réguler la vitesse en continu. Il peut s'ajuster automatiquement à la vitesse appropriée pendant une longue période en fonction du changement de température ambiante, réduire le bruit et les vibrations, rendre les gens plus à l'aise, mais également économiser 1/3 par rapport au climatiseur sans régulation de vitesse. D’autres, comme les réfrigérateurs, les machines à laver, les dépoussiéreurs, les ventilateurs, etc., se tournent également progressivement vers les moteurs à courant continu sans balais.
4. Le moteur à courant continu à aimant permanent après l'utilisation de l'excitation à aimant permanent, conserve non seulement les bonnes caractéristiques de régulation de vitesse et les caractéristiques mécaniques du moteur à courant continu à excitation électrique, mais présente également une structure simple, un petit volume, moins de cuivre, un rendement élevé en raison du élimination de l'enroulement d'excitation et de la perte d'excitation. Par conséquent, des appareils électroménagers, des équipements électroniques portables, des outils électriques aux systèmes de transmission de vitesse et de position de précision qui nécessitent de bonnes performances dynamiques, les moteurs à courant continu à aimant permanent sont largement utilisés. Dans les micromoteurs DC inférieurs à 500 W, les moteurs à aimants permanents représentent 92 %, tandis que les moteurs à aimants permanents inférieurs à 10 W représentent plus de 99 %.
À l'heure actuelle, l'industrie automobile chinoise se développe rapidement, l'industrie automobile est le plus grand utilisateur de moteur à aimant permanent, le moteur est un élément clé de la voiture, une voiture de super luxe, une variété d'utilisations différentes du moteur jusqu'à plus de 70 ensembles , dont la plupart sont des micromoteurs CC à aimant permanent basse tension. Le moteur de démarrage pour voitures et motos, utilisant un aimant permanent NdFeb et un engrenage planétaire décélérant, peut réduire de moitié la masse du moteur de démarrage.
Classification des moteurs à aimants permanents
Il existe de nombreux types de moteurs à aimants permanents. Selon la fonction du moteur, on peut grossièrement diviser en deux catégories le générateur à aimant permanent et le moteur à aimant permanent.
Le moteur à aimant permanent peut être divisé en moteur à courant continu à aimant permanent et moteur à courant alternatif à aimant permanent. Le moteur AC à aimant permanent fait référence à un moteur synchrone polyphasé avec un rotor à aimant permanent, c'est pourquoi on l'appelle souvent moteur synchrone à aimant permanent (PMSM).
Moteur à courant continu à aimant permanent s'il n'y a pas de drame électrique et de collecteur à diviser. Il peut être divisé en moteur à courant continu sans balais à aimant permanent et moteur à courant continu sans balais à aimant permanent (BLDC).
Dans le monde d’aujourd’hui, la théorie et la technologie de l’électronique de puissance moderne se développent considérablement. Les appareils électroniques de puissance, tels que MOSFET, IGBT, MCT, etc., continuent de sortir et le dispositif de contrôle a subi des changements fondamentaux. Depuis que F. BlascEke a proposé le principe du contrôle vectoriel des moteurs à courant alternatif en 1971, le développement de la technologie de contrôle vectoriel a créé une nouvelle ère de contrôle des servomoteurs à courant alternatif, et l'introduction continue de divers microprocesseurs hautes performances a encore accéléré le développement du servomoteur à courant alternatif. systèmes pour remplacer les systèmes d’asservissement DC. Le système servo AC remplaçant le système servo DC est devenu une tendance inévitable. Cependant, le moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) avec potentiel de retour d'onde sinusoïdale et le moteur à courant continu sans balais (BLDC) avec potentiel de retour d'onde trapézoïdale deviendront la norme dans le développement de systèmes d'asservissement AC hautes performances en raison de leurs excellentes performances.
Précautions liées au moteur à aimant permanent
1. Structure du circuit magnétique et calcul de conception
Afin de tirer pleinement parti des propriétés magnétiques de divers matériaux à aimants permanents, en particulier les excellentes propriétés magnétiques des aimants permanents de terres rares, et de créer des moteurs à aimants permanents rentables, il n'est pas possible d'appliquer simplement les méthodes de calcul de structure et de conception de moteurs à aimants permanents traditionnels ou moteurs à excitation électrique, et de nouveaux concepts de conception doivent être établis pour réanalyser et améliorer la structure du circuit magnétique. Avec le développement rapide de la technologie du matériel informatique et des logiciels, ainsi que l'amélioration continue des méthodes de conception modernes telles que le calcul numérique du champ électromagnétique, la conception d'optimisation et la technologie de simulation, grâce aux efforts conjoints des cercles universitaires et techniques, des progrès révolutionnaires ont été réalisés. dans la théorie de la conception, la méthode de calcul, le processus de structure et la technologie de contrôle du moteur à aimant permanent. Un ensemble complet de méthodes d'analyse et de recherche et de logiciels d'analyse et de conception assistés par ordinateur, qui sont combinés avec le calcul numérique du champ électromagnétique et la solution analytique du circuit magnétique équivalent, ont été formés et sont constamment améliorés.
2. Problèmes de contrôle
Une fois le moteur à aimant permanent fabriqué, il peut maintenir son champ magnétique sans énergie externe, mais cela rend également extrêmement difficile l'ajustement et le contrôle de son champ magnétique depuis l'extérieur. Le générateur à aimant permanent est difficile d'ajuster sa tension de sortie et son facteur de puissance de l'extérieur, et le moteur à courant continu à aimant permanent ne peut plus ajuster sa vitesse en modifiant l'excitation. Ceux-ci limitent le domaine d’application des moteurs à aimants permanents. Cependant, avec le développement rapide des dispositifs électroniques de puissance et des technologies de contrôle telles que MOSFET et IGBT, la plupart des moteurs à aimants permanents peuvent être utilisés sans contrôle de champ magnétique et uniquement avec contrôle d'induit. Il est nécessaire de combiner les trois nouvelles technologies des matériaux à aimant permanent de terres rares, des dispositifs électroniques de puissance et du contrôle par micro-ordinateur dans la conception, afin que le moteur à aimant permanent puisse fonctionner dans de nouvelles conditions.
3. Problème de démagnétisation irréversible
Si la conception ou l'utilisation est inappropriée, la température du moteur à aimant permanent est trop élevée (aimant permanent NdFeb) ou trop basse (aimant permanent en ferrite), sous l'action de la réaction d'induit générée par le courant d'impact, ou dans la violente vibration mécanique peut produire une démagnétisation irréversible, ou une perte de magnétisme, de sorte que les performances du moteur sont réduites, voire ne peuvent pas être utilisées. Par conséquent, il est nécessaire de rechercher et de développer des méthodes et des dispositifs adaptés aux fabricants de moteurs pour vérifier la stabilité thermique des matériaux à aimants permanents et pour analyser la capacité anti-démagnétisation de diverses formes structurelles, afin d'adopter des mesures correspondantes pour garantir que le permanent le moteur magnétique ne perd pas son magnétisme lors de la conception et de la fabrication.
4. Coût
Le moteur à aimant permanent en ferrite, en particulier le moteur à courant continu à micro-aimant permanent, a été largement utilisé en raison de sa structure et de son processus simples, de sa masse réduite et de son coût total inférieur à celui du moteur à excitation électrique. Étant donné que le prix actuel de l'aimant permanent aux terres rares est encore relativement élevé, le coût du moteur à aimant permanent aux terres rares est généralement plus élevé que celui du moteur à excitation électrique, ce qui doit être compensé par ses performances élevées et ses économies sur les coûts d'exploitation. Dans certains cas, comme celui du moteur à bobine mobile du lecteur de disque de l'ordinateur, les performances de l'aimant permanent Ndfeb sont améliorées, la masse volumique est considérablement réduite et le coût total est réduit. Lors de la conception, il est nécessaire de décider s'il faut choisir en fonction de la comparaison des performances et des prix en fonction des occasions et des exigences d'utilisation spécifiques, et de procéder à l'innovation et à l'optimisation de la conception du processus de structure pour réduire les coûts.
