En raison de leur compacité et de leur densité de couple élevée, moteurs synchrones à aimants permanents sont largement utilisés dans de nombreuses applications industrielles, notamment pour les systèmes d’entraînement hautes performances tels que les systèmes de propulsion sous-marins. Les moteurs synchrones à aimants permanents n'ont pas besoin d'utiliser de bagues collectrices pour l'excitation, ce qui réduit l'entretien et l'usure du rotor. Les moteurs synchrones à aimants permanents ont un rendement élevé et conviennent aux systèmes d'entraînement hautes performances tels que les machines-outils CNC, les robots et les systèmes de production automatiques de l'industrie.

Généralement, la conception et la construction de moteurs synchrones à aimants permanents doivent prendre en compte à la fois les structures du stator et du rotor pour obtenir des moteurs hautes performances.

Construction d'un moteur synchrone à aimant permanent

Densité de flux d'entrefer : Déterminée en fonction de la conception des moteurs asynchrones, etc., de la conception du rotor à aimant permanent et des exigences particulières liées à l'utilisation d'enroulements de stator commutés. De plus, le stator est supposé être un stator à fentes. La densité de flux de l'entrefer est limitée par la saturation du noyau du stator. En particulier, la densité de flux maximale est limitée par la largeur des dents, tandis que l'arrière du stator détermine le flux total maximum.

De plus, le niveau de saturation autorisé dépend de l'application. En règle générale, un moteur à haut rendement a une faible densité de flux, tandis qu'un moteur conçu pour une densité de couple maximale a une densité de flux élevée. La densité de flux maximale de l’entrefer se situe généralement entre 0.7 et 1.1 Tesla. Notez qu'il s'agit de la densité de flux totale, qui est la somme des flux du rotor et du stator. Cela signifie que si la force de réaction de l'induit est moindre, cela signifie que le couple d'alignement est plus élevé.

Cependant, afin d’obtenir une contribution importante du couple de réluctance, la force de réaction du stator doit être importante. Les paramètres de la machine montrent qu'un grand m et une petite inductance L sont principalement nécessaires pour obtenir le couple d'alignement. Ceci convient généralement au fonctionnement en dessous de la vitesse de base, car une inductance élevée réduit le facteur de puissance.

Matériau de l'aimant permanent :

Les aimants jouent un rôle important dans de nombreux dispositifs, il est donc important d'améliorer les propriétés de ces matériaux, et actuellement, l'attention se porte sur les matériaux à base de terres rares et de métaux de transition pour obtenir des aimants permanents aux propriétés magnétiques élevées. Selon la technologie, les aimants ont des propriétés magnétiques et mécaniques différentes et présentent une résistance à la corrosion différente.

Les aimants en néodyme fer bore (Nd2Fe14B) et samarium cobalt (Sm1Co5 et Sm2Co17) sont aujourd'hui les matériaux à aimants permanents commerciaux les plus avancés. Au sein de chaque classe d’aimants aux terres rares, il existe une grande variété de qualités. Les aimants NdFeB ont commencé à être commercialisés au début des années 1980. Ils sont aujourd’hui largement utilisés dans de nombreuses applications différentes. Le coût de ce matériau magnétique (calculé par produit énergétique) est comparable au coût des aimants en ferrite et, par kilogramme, les aimants NdFeB coûtent environ 10 à 20 fois plus cher que les aimants en ferrite.

Certaines propriétés importantes utilisées pour comparer les aimants permanents sont la rémanence (Mr), qui mesure la force du champ magnétique d'un aimant permanent, la coercivité (Hcj), la capacité d'un matériau à résister à la démagnétisation, le produit énergétique (BHmax), la densité d'énergie magnétique ; Température de Curie (TC), température à laquelle le matériau perd son magnétisme. Les aimants en néodyme ont une rémanence, une force coercitive et un produit énergétique plus élevés, mais généralement des types de température de Curie plus faibles, le néodyme, le terbium et le dysprosium afin de maintenir leurs propriétés magnétiques à des températures élevées.

Conception de moteur synchrone à aimant permanent

Dans la conception d'un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM), la construction du rotor à aimant permanent est basée sur le châssis du stator d'un moteur à induction triphasé sans modifier la géométrie du stator et des enroulements. Les spécifications et la géométrie incluent la vitesse du moteur, la fréquence, le nombre de pôles, la longueur du stator, les diamètres intérieur et extérieur et le nombre d'encoches du rotor. La conception du moteur synchrone à aimant permanent comprend la perte de cuivre, la force contre-électromotrice, la perte de fer et l'auto-inductance, l'inductance mutuelle, le flux magnétique, la résistance du stator, etc.

Calcul de l'auto-inductance et de l'inductance mutuelle :

L'inductance L peut être définie comme le rapport entre la liaison de flux et le courant I qui produit le flux en henries (H), égal à Weber par ampère. Un inducteur est un dispositif utilisé pour stocker de l'énergie dans un champ magnétique, de la même manière qu'un condensateur stocke de l'énergie dans un champ électrique. Un inducteur est généralement constitué d'une bobine, généralement enroulée autour d'un noyau de ferrite ou ferromagnétique, et sa valeur d'inductance est uniquement liée à la structure physique du conducteur et à la perméabilité du matériau à travers lequel passe le flux magnétique.

Les étapes pour trouver l'inductance sont les suivantes : 1. Supposons qu'il y ait un courant I dans le conducteur. 2. Utilisez la loi de Biot-Savart ou la loi de boucle d'Ampère (si disponible) pour déterminer que B est suffisamment symétrique. 3. Calculez le flux total reliant toutes les boucles. 4. Multipliez le flux magnétique total par le nombre de circuits pour obtenir la liaison de flux et concevez le moteur synchrone à aimant permanent en évaluant les paramètres requis.

L'étude a révélé que la conception utilisant le NdFeB comme matériau du rotor à aimant permanent AC augmente le flux magnétique généré dans l'entrefer, ce qui entraîne une diminution du rayon intérieur du stator, tandis que le rayon intérieur du stator utilisant le samarium cobalt permanent Le matériau du rotor magnétique est plus grand. Les résultats montrent que la perte effective de cuivre en NdFeB est réduite de 8.124 %. Pour le samarium cobalt en tant que matériau à aimant permanent, le flux magnétique sera une variation sinusoïdale. Généralement, la conception et la construction de moteurs synchrones à aimants permanents doivent prendre en compte à la fois les structures du stator et du rotor pour obtenir des moteurs hautes performances.

En conclusion

Le moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) est un moteur synchrone qui utilise des matériaux hautement magnétiques pour la magnétisation. Il présente les caractéristiques d'un rendement élevé, d'une structure simple et d'un contrôle facile. Ce type de moteur synchrone à aimant permanent a des applications dans plusieurs domaines tels que la traction, l'automobile, la robotique et la technologie aérospatiale. La densité de puissance des moteurs synchrones à aimants permanents est supérieure à celle des moteurs à induction de même puissance car il n'y a pas de puissance statorique dédiée à la génération de champs magnétiques.

À l’heure actuelle, la conception du moteur synchrone à aimant permanent nécessite non seulement plus de puissance, mais également une masse plus faible et des moments d’inertie plus faibles.