Avec le développement des aimants permanents à base de terres rares dans les années 1970, les moteurs à aimants permanents ont vu le jour. Ces moteurs utilisent des aimants permanents à base de terres rares pour l'excitation, lesquels peuvent générer des champs magnétiques permanents après magnétisation. Leurs excellentes performances d'excitation sont supérieures aux moteurs à excitation électrique en termes de stabilité, de qualité et de réduction des pertes, ce qui a révolutionné le marché des moteurs traditionnels.

Ces dernières années, grâce au développement rapide des sciences et technologies modernes, les performances et la technologie des matériaux électromagnétiques, notamment des terres rares, se sont progressivement améliorées. Couplé au développement rapide de l'électronique de puissance, des technologies de transmission de puissance et de contrôle automatique, les performances des moteurs synchrones à aimants permanents ne cessent de s'améliorer.

De plus, les moteurs synchrones à aimants permanents présentent les avantages suivants : légèreté, structure simple, faible encombrement, bonnes caractéristiques et densité de puissance élevée. De nombreux instituts de recherche scientifique et entreprises mènent activement des recherches et développements sur les moteurs synchrones à aimants permanents, et leurs domaines d'application sont appelés à s'élargir.

1. Base de développement du moteur synchrone à aimant permanent

a.Application de matériaux d'aimants permanents à base de terres rares à hautes performances

Les matériaux à base de terres rares pour aimants permanents ont évolué en trois étapes : SmCo5, Sm2Co17 et Nd2Fe14B. Actuellement, le NdFeB est le matériau à base de terres rares le plus utilisé grâce à ses excellentes propriétés magnétiques. Le développement de ces matériaux a stimulé le développement des moteurs à aimants permanents.

Comparé au moteur à induction triphasé traditionnel à excitation électrique, l'aimant permanent remplace le pôle d'excitation électrique, simplifie la structure, élimine la bague collectrice et le balai du rotor, réalise une structure sans balai et réduit la taille du rotor. Cela améliore la densité de puissance, la densité de couple et le rendement du moteur, tout en le rendant plus compact et plus léger, élargissant ainsi son champ d'application et favorisant le développement de moteurs électriques de plus grande puissance.

b.Application de la nouvelle théorie du contrôle

Ces dernières années, les algorithmes de contrôle ont connu un développement rapide. Parmi eux, les algorithmes de contrôle vectoriel ont résolu le problème de la stratégie de pilotage des moteurs à courant alternatif, leur conférant ainsi de bonnes performances de contrôle. L'émergence du contrôle direct du couple simplifie la structure de contrôle et se caractérise par une excellente performance du circuit pour les changements de paramètres et une réponse dynamique rapide du couple. Le contrôle indirect du couple résout le problème des fortes pulsations du couple direct à faible vitesse et améliore la vitesse et la précision de contrôle du moteur.

c.Application de dispositifs et de processeurs électroniques de puissance à hautes performances

L'électronique de puissance moderne constitue une interface essentielle entre l'industrie de l'information et les industries traditionnelles, et un pont entre les courants faibles et les courants forts contrôlés. Le développement de l'électronique de puissance permet la mise en œuvre de stratégies de contrôle d'entraînement.

Dans les années 1970, une série d'onduleurs polyvalents est apparue. Ils pouvaient convertir l'énergie à fréquence industrielle en énergie à fréquence variable, permettant ainsi une régulation de vitesse à fréquence variable du courant alternatif. Ces onduleurs offrent une capacité de démarrage progressif après réglage de la fréquence, et la fréquence peut passer de zéro à la fréquence définie à une certaine vitesse, réglable en continu sur une large plage, ce qui résout le problème de démarrage des moteurs synchrones.

2. État de développement des moteurs synchrones à aimants permanents en Chine et à l'étranger

Le premier moteur de l'histoire était un moteur à aimant permanent. À cette époque, les performances des matériaux à aimants permanents étaient relativement médiocres, et leur force coercitive et leur rémanence étaient trop faibles. Ils furent donc rapidement remplacés par des moteurs à excitation électrique.

Dans les années 1970, les aimants permanents à base de terres rares, notamment le NdFeB, présentaient une force coercitive, une rémanence, une forte capacité de démagnétisation et un produit énergétique magnétique élevé, ce qui a propulsé les moteurs synchrones à aimants permanents de forte puissance sur la scène historique. Aujourd'hui, la recherche sur les moteurs synchrones à aimants permanents gagne en maturité et s'oriente vers des vitesses, des couples, des puissances et des rendements élevés.

Ces dernières années, grâce aux investissements importants des chercheurs et du gouvernement chinois, les moteurs synchrones à aimants permanents ont connu un développement rapide. Avec le développement des micro-ordinateurs et des technologies de contrôle automatique, les moteurs synchrones à aimants permanents se sont largement répandus dans divers domaines. Avec le progrès de la société, les exigences en matière de moteurs synchrones à aimants permanents se sont accrues, ce qui a incité ces derniers à évoluer vers une plage de régulation de vitesse plus large et un contrôle plus précis. L'amélioration des procédés de production actuels a permis de perfectionner les matériaux à aimants permanents hautes performances, ce qui a permis de réduire considérablement leur coût et de les intégrer progressivement à divers domaines de la vie.

3. Technologie actuelle

a. Technologie de conception de moteur synchrone à aimant permanent

Par rapport aux moteurs à excitation électrique ordinaires, les moteurs synchrones à aimants permanents n'ont pas d'enroulements d'excitation électrique, d'anneaux collecteurs et d'armoires d'excitation, ce qui améliore considérablement non seulement la stabilité et la fiabilité, mais également l'efficacité.

Parmi eux, les moteurs à aimants permanents intégrés présentent les avantages d'un rendement élevé, d'un facteur de puissance élevé, d'une densité de puissance unitaire élevée, d'une forte capacité d'expansion de la vitesse magnétique faible et d'une vitesse de réponse dynamique rapide, ce qui en fait un choix idéal pour l'entraînement des moteurs.

Les aimants permanents fournissent l'intégralité du champ magnétique d'excitation des moteurs à aimants permanents. Un couple de cogging augmente les vibrations et le bruit du moteur en fonctionnement. Un couple de cogging excessif affecte les performances à basse vitesse du système de contrôle de vitesse du moteur et la précision de positionnement du système de contrôle de position. Par conséquent, lors de la conception du moteur, le couple de cogging doit être réduit autant que possible grâce à l'optimisation du moteur.

Selon les recherches, les méthodes courantes pour réduire le couple de cogging comprennent la modification du coefficient d'arc polaire, la réduction de la largeur de l'encoche statorique, l'adaptation de l'encoche oblique à l'encoche polaire, ainsi que la modification de la position, de la taille et de la forme du pôle magnétique. Cependant, il convient de noter que la réduction du couple de cogging peut affecter d'autres performances du moteur, notamment le couple électromagnétique. Par conséquent, lors de la conception, il convient de trouver un équilibre entre différents facteurs afin d'optimiser les performances du moteur.

b.Technologie de simulation de moteur synchrone à aimant permanent

La présence d'aimants permanents dans les moteurs à aimants permanents complique le calcul des paramètres par les concepteurs, tels que le coefficient de flux de fuite à vide et le coefficient d'arc polaire. En général, un logiciel d'analyse par éléments finis est utilisé pour calculer et optimiser les paramètres des moteurs à aimants permanents. Ce logiciel permet de calculer les paramètres du moteur avec une grande précision et est très fiable pour analyser leur impact sur les performances.

La méthode de calcul par éléments finis simplifie, accélère et accélère le calcul et l'analyse du champ électromagnétique des moteurs. Développée à partir de la méthode des différences, cette méthode numérique est largement utilisée en sciences et en ingénierie. Des méthodes mathématiques permettent de discrétiser des domaines de solutions continus en groupes d'unités, puis d'interpoler dans chaque unité. Ainsi, une fonction d'interpolation linéaire est formée, c'est-à-dire qu'une fonction approximative est simulée et analysée par éléments finis, ce qui permet d'observer intuitivement la direction des lignes de champ magnétique et la distribution de la densité de flux magnétique à l'intérieur du moteur.

c.Technologie de contrôle des moteurs synchrones à aimants permanents

L'amélioration des performances des systèmes d'entraînement de moteurs est également essentielle au développement du contrôle industriel. Elle permet d'optimiser les performances du système. Ses principales caractéristiques sont la faible vitesse, notamment lors des démarrages rapides et des accélérations statiques, ainsi que la capacité à produire un couple important. À grande vitesse, il permet également une régulation de vitesse à puissance constante sur une large plage. Le tableau 1 compare les performances de plusieurs moteurs majeurs.

Comme le montre le tableau 1, les moteurs à aimants permanents offrent une bonne fiabilité, une large plage de vitesse et un rendement élevé. Associés à une méthode de contrôle adaptée, ils permettent d'optimiser les performances du système moteur. Il est donc nécessaire de sélectionner un algorithme de contrôle adapté pour une régulation de vitesse efficace, afin que le système d'entraînement puisse fonctionner dans une plage de vitesse relativement large et à puissance constante.

La méthode de contrôle vectoriel est largement utilisée dans les algorithmes de contrôle de vitesse des moteurs à aimants permanents. Elle offre les avantages d'une large plage de régulation de vitesse, d'un rendement élevé, d'une grande fiabilité, d'une bonne stabilité et d'un excellent rapport qualité-prix. Elle est largement utilisée dans les domaines de la commande de moteurs, du transport ferroviaire et des servomoteurs de machines-outils. En raison de la diversité des applications, la stratégie de contrôle vectoriel actuellement adoptée varie également.

4. Caractéristiques du moteur synchrone à aimant permanent

Le moteur synchrone à aimants permanents présente une structure simple, de faibles pertes et un facteur de puissance élevé. Comparé au moteur à excitation électrique, l'absence de balais, de commutateurs et autres dispositifs permet d'éliminer tout courant d'excitation réactif. Le courant statorique et les pertes ohmiques sont donc réduits, le rendement est supérieur, le couple d'excitation est plus important et les performances de régulation sont meilleures. Cependant, il présente des inconvénients tels qu'un coût élevé et une difficulté de démarrage. Grâce à l'application de technologies de contrôle aux moteurs, notamment les systèmes de contrôle vectoriel, les moteurs synchrones à aimants permanents permettent une régulation de vitesse sur une large plage, une réponse dynamique rapide et un contrôle de positionnement de haute précision. Ces moteurs suscitent donc un intérêt croissant pour les recherches approfondies.

5. Caractéristiques techniques du moteur synchrone à aimant permanent Anhui Mingteng

a. Le moteur présente un facteur de puissance élevé et un facteur de qualité du réseau électrique élevé. Aucun compensateur de facteur de puissance n'est requis, et la capacité de l'équipement du poste peut être pleinement exploitée ;

b. Le moteur à aimants permanents est excité par des aimants permanents et fonctionne de manière synchrone. Il n'y a pas de pulsation de vitesse et la résistance de la canalisation n'augmente pas lors de l'entraînement des ventilateurs et des pompes ;

c. Le moteur à aimant permanent peut être conçu avec un couple de démarrage élevé (plus de 3 fois) et une capacité de surcharge élevée selon les besoins, résolvant ainsi le phénomène du « gros cheval tirant une petite charrette » ;

d. Le courant réactif d'un moteur asynchrone ordinaire est généralement d'environ 0,5 à 0,7 fois supérieur au courant nominal. Le moteur synchrone à aimants permanents Mingteng ne nécessite pas de courant d'excitation. Le courant réactif d'un moteur à aimants permanents et d'un moteur asynchrone diffère d'environ 50 %, et le courant de fonctionnement réel est inférieur d'environ 15 % à celui d'un moteur asynchrone.

e. Le moteur peut être conçu pour démarrer directement, et les dimensions d'installation externes sont les mêmes que celles des moteurs asynchrones actuellement largement utilisés, qui peuvent remplacer complètement les moteurs asynchrones ;

f. L'ajout d'un pilote peut permettre un démarrage progressif, un arrêt progressif et une régulation de vitesse en continu, avec une bonne réponse dynamique et un effet d'économie d'énergie encore amélioré ;

g. Le moteur possède de nombreuses structures topologiques, qui répondent directement aux exigences fondamentales des équipements mécaniques dans une large gamme et dans des conditions extrêmes ;

h. Afin d'améliorer l'efficacité du système, de raccourcir la chaîne de transmission et de réduire les coûts de maintenance, des moteurs synchrones à aimant permanent à entraînement direct à haute et basse vitesse peuvent être conçus et fabriqués pour répondre aux exigences plus élevées des utilisateurs.

Anhui Mingteng Machines à Magnétique Permanente et Équipement Électrique Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) a été créée en 2007. Entreprise de haute technologie spécialisée dans la recherche et le développement, la production et la commercialisation de moteurs synchrones à aimants permanents à très haut rendement, elle utilise une théorie de conception de moteurs moderne, des logiciels de conception professionnels et un programme de conception de moteurs à aimants permanents développé en interne pour simuler les champs électromagnétiques, fluides, thermiques et de contrainte du moteur à aimants permanents, optimiser la structure du circuit magnétique, améliorer le rendement énergétique du moteur et garantir une utilisation fiable du moteur à aimants permanents.

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