By
Moteurs PMLes moteurs à aimants permanents, communément appelés moteurs à aimants permanents, jouent un rôle dans les applications industrielles. Contrairement aux moteurs à induction (IM), les moteurs PM intègrent des aimants à l'intérieur. Fixés au rotor pour produire un champ pendant le fonctionnement. Le but de cet article est de fournir une compréhension des concepts, des principes et des éléments essentiels associés aux moteurs PM.
La principale différence entre les moteurs PM et les moteurs à induction réside dans la manière dont le champ magnétique est généré. Les moteurs à induction s'appuient sur un champ rotatif produit par les enroulements du stator pour induire des courants dans le rotor, qui interagit ensuite avec le champ du stator pour générer une force motrice. Une caractéristique notable des moteurs à induction est qu'il doit y avoir une différence de vitesse entre le rotor et le champ magnétique pour induire un courant, ce qui les rend adaptés à une utilisation en combinaison avec des variateurs de fréquence (VFD), pour le contrôle de la vitesse.
Les moteurs à aimant permanent (PM) génèrent des champs, avec des aimants, à l'intérieur du rotor, éliminant ainsi le besoin de connecter le flux à travers le champ du stator. Cette configuration améliore l'efficacité dans les applications qui nécessitent un contrôle de la vitesse. Les moteurs à aimant permanent sont classés en moteurs à aimant permanent de surface (SPM) et moteurs à aimant permanent intérieur (IPM) en fonction de l'emplacement des aimants. Ces types diffèrent en termes de durabilité, de puissance magnétique et de caractéristiques électromagnétiques.
Afin de comprendre le fonctionnement des moteurs PM, il est important de saisir les concepts liés à la liaison de flux et aux champs magnétiques.
Lorsqu'un courant traverse un conducteur, il génère un champ. Le flux est la mesure du mouvement d'une caractéristique sur une surface. Dans les moteurs, le flux indique la rapidité avec laquelle le champ magnétique se dilate sur la surface des fils.
Lorsqu'un champ magnétique interagit avec un matériau, par exemple lorsqu'il traverse une bobine, une liaison de flux se produit. Celle-ci est calculée en fonction du nombre de tours de l'enroulement et du flux magnétique, souvent représenté par le symbole ϕ pour indiquer la valeur du flux au fil du temps. L'équation utilisée pour calculer la liaison de flux est λ = N × ϕ, où λ représente la liaison de flux, N désigne le nombre de tours et ϕ le flux.
Le champ magnétique illustre la manière dont le magnétisme se déplace dans l'espace d'un conducteur. Dans les moteurs à aimant, les aimants sont positionnés sur la surface du rotor pour générer le champ.
Lorsque l'on discute des caractéristiques des moteurs PM, il est important de prendre en compte l'inductance et l'EMF en tant que concepts.
Inductance (L) : L'inductance est définie comme la constante de proportionnalité de la tension induite lorsque le courant change. En d'autres termes, l'inductance est la liaison de flux par unité de courant. Il s'agit d'une propriété géométrique liée au trajet du courant et mesurée en Henry (H). Dans les moteurs PM, l'inductance peut être divisée en inductance d'axe d et inductance d'axe q en fonction de la position du rotor et des pôles magnétiques.
Contre-EMF : La contre-EMF fait référence à la tension induite dans les enroulements du stator en raison du mouvement relatif entre le champ magnétique du rotor et les enroulements du stator pendant la rotation du moteur. Dans les moteurs PM, le champ magnétique du rotor est généré par des aimants permanents, donc tant que le rotor est en mouvement, une tension sera induite dans les enroulements du stator. La contre-EMF augmente linéairement avec la vitesse du moteur et constitue un facteur clé pour déterminer la vitesse de fonctionnement maximale du moteur.
L'axe d et l'axe q sont deux axes clés utilisés pour décrire les caractéristiques électromagnétiques des moteurs PM.
Axe d (axe direct) : il est aligné avec la direction du flux principal du moteur. L'inductance de l'axe d correspond à la valeur d'inductance lorsque le flux traverse le pôle magnétique.
Axe q (axe en quadrature) : il est aligné avec la direction principale de génération du couple du moteur. L'inductance de l'axe q correspond à la valeur d'inductance lorsque le flux circule entre les pôles magnétiques.
Pour les moteurs PM à aimants intérieurs, les valeurs d'inductance des axes d et q diffèrent car la présence d'aimants réduit le matériau du noyau le long de l'axe d, affectant l'inductance. En revanche, les moteurs PM à surface présentent des valeurs d'inductance d'axe d et q presque identiques, car les aimants se trouvent à l'extérieur du rotor et n'affectent pas la connexion du champ magnétique du stator au noyau.
La saillance magnétique décrit la variation de l'inductance des axes d et q à différentes positions du rotor. Cette caractéristique est cruciale pour la conception et l'optimisation des moteurs PM. En général, la saillance magnétique atteint son maximum à un angle électrique de 90 degrés, où la différence entre l'inductance des axes q et d est la plus grande.
Le couple magnétique et le couple de réluctance sont les deux principaux composants du couple produit par les moteurs à aimants permanents. Le couple magnétique est généré par l'interaction entre le flux magnétique du rotor et le courant de l'enroulement du stator, tandis que le couple de réluctance résulte de l'alignement de l'axe du rotor avec le champ de flux du stator. La combinaison de ces deux éléments détermine le couple de sortie du moteur.
Dans les moteurs PM, les valeurs d'inductance des axes d et q diminuent à mesure que le courant de charge augmente. Ce phénomène est dû à la saturation magnétique du matériau du noyau. Lorsque le flux atteint un certain niveau, l'inductance du noyau n'augmente plus et peut même diminuer.
L'affaiblissement du flux est une méthode de réduction du champ de flux pour réduire la force contre-électromotrice, ce qui permet au moteur de fonctionner à des vitesses plus élevées. Cette opération nécessite généralement un courant moteur supplémentaire et, en ajustant la direction du courant sur l'axe d, le moteur peut basculer entre le renforcement ou l'affaiblissement du flux pour répondre à différentes exigences opérationnelles.
Les moteurs PM peuvent être classés en types à aimant intérieur et à aimant de surface en fonction de leur structure. Chaque type de structure a ses avantages et ses inconvénients, et le choix de conception spécifique dépend souvent des exigences de l'application. Par exemple, les moteurs à aimant intérieur, avec des aimants intégrés à l'intérieur du rotor, ont une résistance mécanique plus élevée et sont adaptés au fonctionnement à grande vitesse, tandis que les moteurs à aimant de surface sont plus faciles à fabriquer et ont des coûts inférieurs.
Les matériaux magnétiques utilisés dans les moteurs PM ont un impact direct sur les performances du moteur. Les matériaux magnétiques permanents couramment utilisés comprennent le néodyme fer bore (NdFeB) et le samarium cobalt (SmCo), qui présentent des caractéristiques différentes en termes de performances magnétiques et de résistance à haute température. Par conséquent, le choix du matériau magnétique approprié est crucial dans la conception du moteur, en fonction du scénario d'application spécifique.
Grâce aux progrès de la technologie des variateurs, les variateurs de vitesse modernes peuvent réaliser une détection automatique et un contrôle en boucle fermée. En détectant et en suivant la position du pôle du moteur, le variateur peut optimiser le couple de sortie et l'efficacité du moteur. Cette méthode de contrôle est largement utilisée dans les servomoteurs, en particulier dans les applications nécessitant un contrôle de position précis et une réponse à grande vitesse.
Les servomoteurs adoptent souvent une conception PM interne et sont associés à des amplificateurs spécifiques. Cette combinaison, optimisée et réglée par le fabricant, garantit des performances opérationnelles optimales. Dans les applications pratiques, les servomoteurs sont couramment utilisés dans les machines CNC, la robotique et les équipements d'automatisation.
Bien que connus sous le nom d'« aimants permanents », ces matériaux ne sont pas véritablement permanents. Leur magnétisme peut s'affaiblir ou disparaître en raison de changements dans les conditions externes, comme une contrainte mécanique, une température élevée ou une forte interférence électromagnétique.
Contrainte mécanique : les aimants permanents peuvent perdre leur magnétisme en raison de changements structurels internes lorsqu'ils sont soumis à un impact violent ou à une chute.
L’effet de la température sur les matériaux est que chacun d’eux a une température appelée « température de Curie », à laquelle il cesse d’être magnétique.
Les propriétés magnétiques des aimants peuvent être affectées par des interférences, ce qui pourrait entraîner une perte de leur magnétisme.
Il est donc essentiel de prendre en compte ces aspects de démagnétisation et d’intégrer des stratégies lors du développement et de l’utilisation de moteurs PM.
X.Enneng : Faire progresser le développement des moteurs à aimants permanents à haut rendement
Enneng, une société nommée ENPMSM opère en tant que fournisseur de moteurs magnétiques basé à Qingdao, en Chine. Ils se spécialisent dans la fabrication de types de moteurs magnétiques, y compris des modèles standard, généraux et personnalisés offrant des options d'entraînement et sans engrenage. Ces moteurs sont utilisés dans une gamme d'industries telles que les centrales électriques, la métallurgie, les produits chimiques, les mines et les champs pétroliers. Enneng est connue pour son souci de l'innovation et abrite une équipe de recherche et développement qui a obtenu des brevets techniques. Son engagement en faveur du progrès lui a valu d'être reconnue comme l'une des « Cent entreprises innovantes » de Qingdao.
Les moteurs PM sont reconnus pour leur efficacité et leur précision, ce qui les rend très recherchés dans les applications grand public. Il est essentiel de comprendre les principes et les concepts de ces moteurs pour améliorer la conception et garantir les performances. À mesure que la technologie progresse, l'utilisation des moteurs PM devrait se développer, contribuant ainsi de manière significative aux systèmes électriques.
