En raison de leur compacité et de leur densité de couple élevée, les moteurs synchrones à aimants permanents sont largement utilisés dans de nombreuses applications industrielles, notamment dans les systèmes d'entraînement hautes performances tels que les systèmes de propulsion sous-marins. Moteurs synchrones à aimants permanents ne nécessitent pas de bagues collectrices pour l'excitation, réduisant ainsi la maintenance et les pertes du rotor. Les moteurs synchrones à aimants permanents sont très efficaces et conviennent aux systèmes d'entraînement hautes performances tels que les machines-outils CNC, les robots et les systèmes de production automatiques dans l'industrie. En règle générale, 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 un moteur hautes performances.

Structure du moteur synchrone à aimant permanent

Densité de flux d'entrefer : déterminée en fonction de la conception du moteur asynchrone, etc., de la conception du rotor à aimant permanent et des exigences particulières liées à l'utilisation des enroulements de stator de commutation. De plus, on suppose que le stator est 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, les moteurs à haut rendement ont des densités de flux plus faibles, tandis que les moteurs conçus pour une densité de couple maximale ont des densités de flux plus élevées. La densité de flux maximale de l'entrefer est généralement comprise entre 0.7 et 1.1 Tesla. Il convient de noter 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 plus petite, 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. Cela s'applique généralement aux opérations 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 appareils, il est donc très important d’améliorer les performances de ces matériaux. Actuellement, l'attention se porte sur les matériaux à base de métaux des terres rares et de métaux de transition, qui permettent d'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 catégorie d’aimants aux terres rares, il existe une grande variété de qualités. Les aimants NdFeB sont devenus disponibles dans le commerce au début des années 1980. Ils sont aujourd’hui largement utilisés dans de nombreuses applications différentes. Le coût de ce matériau magnétique (par produit énergétique) est comparable au coût des aimants en ferrite, qui sont environ 10 à 20 fois plus chers par kilogramme.

Certaines propriétés importantes utilisées pour comparer les aimants permanents sont la rémanence (Mr), qui mesure la force du champ magnétique de l'aimant permanent, la force coercitive (Hcj), la capacité du 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 coercivité et un produit énergétique plus élevés, mais généralement des types de température de Curie plus faibles. Le néodyme entre en compétition avec le terbium et le dysprosium afin de maintenir son magnétisme à haute température.

Conception de moteur synchrone à aimant permanent

Dans la conception d'un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM), la structure du rotor à aimant permanent est basée sur le cadre du stator du 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 d'un moteur synchrone à aimant permanent comprend la perte de cuivre, la force contre-électromotrice, la perte de fer, l'auto-inductance et 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 génère le flux magnétique. L'unité est Henry (H), qui est égale 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 de fil, généralement enroulée autour d'un noyau de ferrite ou ferromagnétique, et sa valeur d'inductance est liée uniquement à la structure physique du conducteur et à la perméabilité du matériau traversé par le flux.

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 du circuit 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 boucles pour obtenir la liaison de flux, puis concevez le moteur synchrone à aimant permanent en évaluant les paramètres requis.

L'étude a révélé que la conception utilisant du néodyme fer bore comme matériau du rotor à aimant permanent AC augmentait le flux magnétique généré dans l'entrefer, entraînant une réduction du rayon intérieur du stator, tandis que le rayon intérieur du stator utilisant du samarium cobalt permanent Le matériau du rotor magnétique était 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. En règle générale, 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 un moteur hautes performances.

In 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 divers domaines tels que la traction, l'automobile, la robotique et la technologie aérospatiale. La densité de puissance d'un moteur synchrone à aimant permanent est supérieure à celle d'un moteur à induction de même puissance car il n'y a pas de puissance statorique dédiée à la génération du champ magnétique. À l’heure actuelle, la conception de moteurs synchrones à aimants permanents nécessite non seulement une plus grande puissance, mais également une masse et une inertie de rotation plus faibles.