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Guide du débutant sur les moteurs synchrones à aimants permanents

2023-12-06 14:51:09

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Actuellement, un nombre important de produits continuent de fonctionner avec des moteurs à induction AC. Néanmoins, un changement se produit alors que les ingénieurs et les opérateurs d'équipement optent de plus en plus pour les moteurs à aimants permanents (PM) dans diverses applications, principalement en raison de leur taille compacte et de leur efficacité accrue. Les applications telles que les ventilateurs, les soufflantes et les pompes sont particulièrement bien adaptées aux capacités des systèmes d'entraînement à aimant permanent.

A Moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) est un moteur synchrone à courant alternatif qui utilise des aimants permanents pour l'excitation du champ magnétique. Ces moteurs sont très efficaces, sans balais, rapides et sûrs, avec des performances dynamiques exceptionnelles. Compte tenu de ces avantages, les moteurs synchrones à aimants permanents trouvent de nombreuses applications dans divers domaines.

Un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) est un type de moteur synchrone qui utilise des aimants permanents comme inducteurs. Dans les applications industrielles, le moteur synchrone à aimant permanent est un produit important.

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Qu'est-ce qu'un moteur synchrone à aimant permanent

Un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) est un type de moteur sans balais très apprécié pour sa fiabilité et son efficacité. Il dispose d'un rotor à aimant permanent, qui offre plusieurs avantages tels qu'un couple élevé, une taille compacte et l'absence de courant de rotor. Au lieu d'utiliser des enroulements, le rotor utilise des aimants permanents pour créer un champ magnétique tournant. Cette conception rend le moteur simple et économique, car elle élimine le besoin d'une alimentation CC. Les PMSM fonctionnent comme des moteurs synchrones à courant alternatif, avec l'excitation du champ magnétique fournie par des aimants permanents, ce qui entraîne une forme d'onde EMF inverse sinusoïdale. Cela permet au PMSM de générer un couple même à vitesse nulle. Cependant, pour fonctionner efficacement, ces moteurs nécessitent un inverseur à commande numérique.

Construction

Comme tous les moteurs rotatifs, les moteurs synchrones à aimants permanents sont composés d’un rotor et d’un stator. La structure globale d'un moteur synchrone à aimant permanent ressemble beaucoup à celle d'un moteur synchrone standard, la principale distinction résidant dans la conception du rotor. Dans ce type de moteur, le rotor ne dispose pas d'enroulements de champ magnétique et comporte à la place des aimants permanents montés.

Ces aimants permanents servent à générer des pôles magnétiques à l'intérieur du moteur. En règle générale, les aimants permanents utilisés dans ces moteurs sont fabriqués à partir de matériaux tels que le samarium-cobalt et le néodyme-fer-bore en raison de leur haute perméabilité. Parmi ces options, le néodyme fer bore est l’aimant permanent le plus couramment utilisé en raison de sa rentabilité et de sa large disponibilité.

Les moteurs synchrones à aimants permanents fonctionnent selon un principe similaire aux moteurs synchrones. Son principe de fonctionnement repose sur l'interaction entre le champ magnétique tournant du stator et le champ magnétique constant du rotor. Il s'appuie sur le champ magnétique tournant pour générer un potentiel électrique à des vitesses synchrones.

Lors de la mise sous tension des enroulements du stator avec une alimentation électrique triphasée, un champ magnétique tournant émerge dans les entrefers. Ce champ induit un couple lorsque les pôles du rotor se verrouillent en synchronisation avec le champ magnétique tournant à une vitesse constante, ce qui entraîne une rotation continue du rotor. Étant donné que ces moteurs ne possèdent pas la capacité de démarrer automatiquement, la fourniture d'une alimentation électrique à fréquence variable est essentielle pour démarrer le fonctionnement.

Fonctionalités

-Sans étincelles, plus sûr dans les environnements explosifs

-Propre, rapide et efficace

-Plus compact, efficace et plus léger que l'ACIM

-Conçu pour les applications servo hautes performances

-Fonctionne avec ou sans encodeur de position

-Faible bruit et EMI

-Performances fluides à basse et haute vitesse

-Combiné avec un contrôle orienté champ (FOC) pour une production de couple optimale

Types

1.Classification des moteurs PMSM basée sur la conception du rotor :

Le rotor est constitué d'aimants permanents. Les aimants permanents sont constitués de matériaux à haute coercivité. En fonction de la conception du rotor, les moteurs synchrones peuvent être classés comme suit :

Moteurs à rotor à pôle magnétique ;

Moteurs sans rotor à pôle magnétique.

Ils peuvent également être classés comme suit :

Moteurs synchrones à aimant permanent interne

Dans cette construction, des aimants permanents sont intégrés dans le rotor, comme le montre la figure ci-dessous. Il est adapté et robuste pour les applications à grande vitesse. Le couple de réluctance est dû à la proéminence du moteur.

Moteur synchrone à aimant permanent de surface

Dans cette configuration, les aimants sont montés sur la surface du rotor. Il convient aux applications à grande vitesse mais n'est pas robuste. L'entrefer est uniforme car la perméabilité des aimants permanents et l'entrefer sont les mêmes. L'absence de couple de réticence et les performances dynamiques élevées le rendent adapté aux équipements à grande vitesse tels que les robots et les entraînements d'outils.

 

Classification des moteurs PMSM basée sur la conception du stator

Le stator se compose d'un cadre extérieur et d'un noyau avec des enroulements. Les conceptions les plus courantes sont les enroulements biphasés et triphasés.

Selon la conception du stator, les moteurs synchrones à aimants permanents peuvent être :

Enroulement distribué;

Enroulements centralisés.

 

 

Commande de moteur synchrone à aimant permanent

Étant donné que les moteurs synchrones à aimants permanents doivent être entraînés avec des ondes sinusoïdales, la complexité du contrôle augmente. Les moteurs synchrones à aimants permanents nécessitent un système de contrôle tel qu'un variateur de fréquence ou un servo variateur.

Le système de contrôle englobe un large éventail de techniques de contrôle, et le choix de la méthode de contrôle la plus appropriée dépend en grande partie des exigences spécifiques de l'entraînement motorisé. Pour des tâches plus simples, une commande trapézoïdale avec capteurs Hall est couramment utilisée, tandis que pour optimiser les performances d'un entraînement motorisé, une commande orientée champ est souvent préférée.

Dans la plupart des cas, les PMSM nécessitent un variateur de fréquence pour le démarrage. Cependant, certains PMSM sont équipés de démarreurs à cage d'écureuil dans le rotor, appelés démarreurs de ligne ou démarreurs automatiques. Ces configurations sont fréquemment utilisées comme alternative très efficace aux moteurs à induction en raison de l'absence de glissement. Cependant, il est crucial de garantir que les vitesses synchrones soient atteintes et que le système puisse résister aux ondulations de couple pendant le processus de démarrage.

 

Les moteurs synchrones ont-ils des aimants permanents ?

Dans un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM), des aimants permanents placés dans un rotor en acier fournissent un champ magnétique continu. Le champ magnétique tournant est généré par les enroulements du stator couplés à l’alimentation alternative (comme dans un moteur asynchrone).

Avantages des moteurs synchrones à aimant permanent

Les avantages des moteurs synchrones à aimants permanents comprennent :

-Performance dynamique à haute et basse vitesse

-Haute densité de puissance

-Faible inertie du rotor pour un contrôle facile

-Aucune ondulation de couple lors de la commutation du moteur

-Couple élevé et doux

-Haute efficacité à des vitesses élevées

-Résistant à l'usure

-Disponible en petites tailles dans différents emballages

-Entretien et installation faciles

-Maintient le couple complet même à basse vitesse

-Grande fiabilité

-Dissipation thermique efficace

-Faible niveau sonore

 

Applications

-Les applications des moteurs synchrones à aimant permanent comprennent :

-Compresseurs AC

-Direction assistée électrique automobile

-Des machines-outils

-Grands systèmes électriques pour améliorer le facteur de puissance en avance et en retard

Ces dernières années, moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) sont de plus en plus utilisés dans les disques hautes performances avec le développement de l'électronique à semi-conducteurs, des processeurs et des technologies informatiques intelligentes. Les avantages des PMSM sont une structure simple, une petite taille, un rendement élevé et un facteur de puissance élevé.

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