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Moteurs à aimant permanent s'appuient sur des aimants permanents pour générer leur champ magnétique. Ils ne nécessitent aucune bobine d'excitation ni aucun courant. Ces moteurs sont connus pour leur efficacité et conception simpleIls sont considérés comme des moteurs à économie d'énergie. Les moteurs à aimants permanents ont subi un long processus de développement qui reflète de grandes améliorations au fil des ans.
Processus de développement
L'évolution du moteur à aimant permanent est étroitement liée au développement d'un matériau à aimant permanent. La Chine est devenue le premier pays à reconnaître et à appliquer les propriétés magnétiques de ce type de matériau. Il y a plus de 2,000 XNUMX ans, les propriétés magnétiques de ce type de matériau ont été mises au service d'applications de boussoles, qui revêtent une grande importance, notamment pour la navigation et la stratégie militaire. Cette invention est considérée comme l'une des quatre grandes inventions de la Chine ancienne.
Le premier moteur électrique au monde est apparu dans les années 1820. Il s'agit d'un moteur à aimant permanent. Le champ magnétique de ce type de moteur est généré par des aimants permanents. Cependant, cette technologie a disparu pendant un certain temps et ne s'est développée de manière extensive que ces dernières années. Comme le matériau d'aimant permanent utilisé à l'époque était de la magnétite naturelle, sa densité d'énergie magnétique était particulièrement faible. Son utilisation pour fabriquer des moteurs rend les moteurs particulièrement grands. En raison de leur faible praticabilité, les moteurs à aimant permanent ont été progressivement remplacés par des moteurs à excitation électrique. Son développement a également stagné pendant un certain temps. Cependant, certains scientifiques pensent qu'il est toujours nécessaire d'étudier les moteurs à aimant permanent, alors que d'autres changent de champ, un petit nombre de personnes restent profondément impliquées dans ce domaine.
Alors que toutes sortes de moteurs se développaient rapidement et que les magnétiseurs actuels étaient inventés, les chercheurs étudiaient en profondeur le mécanisme, la composition et la technologie de fabrication des matériaux à aimants permanents. En conséquence, une série de matériaux magnétiques permanents ont été découverts, tels que l'acier au carbone, l'acier au tungstène et l'acier au cobalt. En particulier, les propriétés magnétiques de l'aimant permanent AlNiCo inventé dans les années 1930 et de l'aimant permanent en ferrite inventé dans les années 1950 ont été considérablement améliorées, de sorte que la méthode d'excitation par aimant permanent a été largement adoptée pour divers micro et petits moteurs. Les moteurs à aimants permanents sont largement utilisés dans la production militaire, industrielle, agricole et dans la vie quotidienne, avec une puissance de sortie allant de quelques milliwatts à des dizaines de kilowatts. Par conséquent, la production de moteurs à aimants permanents a augmenté de façon spectaculaire. Au cours de cette période, la théorie de conception, les méthodes de calcul, la magnétisation et la technologie de fabrication des moteurs à aimants permanents ont également été considérablement améliorées. Au cours de cette période, une série de méthodes d'analyse et de recherche ont été développées, notamment la méthode du diagramme de fonctionnement de l'aimant permanent.
Cependant, en raison de la faible coercivité des aimants permanents AlNiCo et de la faible densité de rémanence des aimants permanents en ferrite, leur domaine d'application dans les moteurs était très limité. Jusqu'aux années 1960 et 1980, une série de matériaux magnétiques permanents à base de terres rares sont apparus les uns après les autres, notamment les aimants permanents à base de terres rares et de cobalt et les aimants permanents à base de néodyme fer bore. Ils ont une densité de rémanence et une force coercitive élevées, un produit énergétique magnétique élevé et une excellente propriété magnétique de courbe de démagnétisation linéaire, particulièrement adaptés à la fabrication de moteurs, propulsant les moteurs à aimants permanents dans une nouvelle période historique.
Caractéristiques des moteurs à aimants permanents
Par rapport aux moteurs à excitation électrique traditionnels, les moteurs à aimants permanents comprennent :
Le champ d'application est très vaste. On peut dire que dans tous les domaines, les départements aérospatiaux incluent la défense nationale, la production industrielle et agricole et la vie des gens. Voici les principales caractéristiques de plusieurs moteurs à aimants permanents typiques et leurs principales applications.
Par rapport aux générateurs conventionnels, le générateur à aimant permanent à base de terres rares ne possède pas de bagues collectrices ni de dispositif à balais. La structure du générateur synchrone à aimant permanent est simple et les taux de défaillance sont réduits. En utilisant des aimants permanents à base de terres rares, la densité magnétique de l'entrefer peut être augmentée ainsi que la vitesse du moteur vers la valeur optimale pour améliorer le rapport puissance/masse. Les générateurs à aimant permanent à base de terres rares sont presque tous utilisés dans l'aviation et l'aérospatiale modernes. Leurs produits typiques sont les générateurs synchrones à aimant permanent à base de terres rares et de cobalt de 150 kVA à 14 pôles de 12 000 à 21 000 tr/min et de 100 kVA à 60 000 tr/min fabriqués par la General Electric Company des États-Unis.
Les générateurs à aimant permanent sont également utilisés comme excitateurs auxiliaires pour les grands générateurs à turbine. Le plus grand excitateur auxiliaire à aimant permanent en terres rares de 40 kVA à 160 kVA au monde a été développé avec succès pour les générateurs à turbine de 200 MW à 600 MW dans les années 1980. Depuis lors, la fiabilité du fonctionnement des centrales électriques a été considérablement améliorée. À l'heure actuelle, les petits générateurs entraînés par des moteurs à combustion interne pour les sources d'énergie indépendantes, les générateurs à aimant permanent pour les véhicules et les petites éoliennes à aimant permanent entraînées directement par des roues éoliennes sont progressivement promus.
Applications dans divers domaines
3. L'autre nouveau domaine est l'utilisation de divers micromoteurs à courant continu à aimant permanent en terres rares pour soutenir de nouveaux systèmes de contrôle de vitesse à fréquence variable pour les climatiseurs et les réfrigérateurs. Les moteurs à courant continu sans balais à aimant permanent en terres rares sont des instruments de différentes puissances, et la demande pour de tels moteurs est également importante.
Les matériaux à aimant permanent à base de terres rares présentent de grands avantages dans l'aérospatiale et sont d'une grande importance pour le développement de l'industrie aérospatiale. Les moteurs à aimant permanent à base de terres rares ont été utilisés dans certains domaines de l'aérospatiale, tels que la régulation de la tension des générateurs et la protection contre les courts-circuits, mais les scientifiques du monde entier croient unanimement que le moteur à aimant permanent à base de terres rares est l'une des directions essentielles pour le développement de la prochaine génération de moteurs aérospatiaux
Difficultés techniques rencontrées par les moteurs à aimants permanents
1. Prix élevé des matériaux à aimant permanent
Le coût des matériaux à aimant permanent représente souvent plus de 50 % du coût total des matériaux. Les matériaux magnétiques permanents nécessitent des ressources en terres rares. Dans la plupart des pays, les terres rares sont considérées comme une ressource minérale extrêmement pauvre, avec des prix élevés et une faible quantité. La plupart des produits à base de terres rares du monde sont exportés depuis la Chine.
2. Phénomène de démagnétisation
Les moteurs à aimants permanents sont toujours exposés au risque de démagnétisation irréversible dans des conditions défavorables de températures élevées et de vibrations mécaniques fréquentes. Les facteurs contribuant à la démagnétisation sont la température de fonctionnement élevée du moteur, l'augmentation de la température ambiante et l'accumulation de chaleur. Une fois que cela se produit, les performances diminuent considérablement et le moteur devient pratiquement inutilisable. Pour réduire la dégradation magnétique pendant le processus de travail, il faut rechercher et développer une série de matériaux d'aimants permanents NdFeB résistants aux hautes températures et hautement magnétiques pour résoudre le problème à la racine ; l'autre consiste à promouvoir la technologie anti-démagnétisation. Par exemple, cela peut être réalisé par la détection de charge, la réduction de la charge maximale, l'amélioration des mesures de dissipation de chaleur et la réduction des démarrages fréquents.
3. Technologie de contrôle
En raison du phénomène d'« aimant permanent » dans le moteur synchrone à aimant permanent, il est très difficile d'ajuster son champ magnétique de l'extérieur. Pour les applications de moteur synchrone à aimant permanent à l'heure actuelle, l'idée de contrôle n'est pas d'effectuer un contrôle du champ magnétique, mais uniquement un contrôle de l'armature. Le moteur synchrone à aimant permanent est contrôlé par des dispositifs électroniques en coordination avec le contrôle par micro-ordinateur. Réalisez une gestion raffinée du contrôle de la position, de la vitesse et du couple.
Outre les problèmes évoqués ci-dessus, quelques difficultés techniques plus critiques surviennent Moteurs synchrones à aimants permanents qui nécessitent une attention et une innovation supplémentaires. Ces difficultés comprennent la vulnérabilité aux pannes de courant, l'incapacité à atteindre des vitesses très élevées et le démarrage problématique du moteur. Il est important de résoudre ces problèmes pour exploiter tout le potentiel des PMSM et maximiser leur utilité dans diverses applications.
La vulnérabilité aux pannes de courant est l'un des principaux problèmes techniques auxquels sont confrontés les moteurs PMSM. Alors que les moteurs à induction continuent généralement de fonctionner sans alimentation électrique, les moteurs PMSM nécessitent toujours une source d'alimentation externe pour l'excitation du champ magnétique. En cas de panne de courant, les moteurs PMSM peuvent tout simplement cesser de fonctionner, perturbant ainsi les processus et les systèmes critiques.
Certaines méthodes qui peuvent être utilisées pour réduire l'impact des pannes de courant sur le fonctionnement des PMSM sont les systèmes de stockage d'énergie et les alimentations de secours. L'intégration d'une batterie ou d'un condensateur au système PMSM lui permettra de maintenir l'alimentation électrique pendant un certain temps en cas de panne, garantissant ainsi un fonctionnement continu et réduisant la période d'arrêt. De plus, le renforcement de l'électronique de puissance et des algorithmes de contrôle améliore la robustesse des PMSM face aux fluctuations et aux interruptions de courant.
Un autre défi technique associé aux moteurs PMSM est leur limitation inhérente aux vitesses élevées. Bien que les moteurs PMSM présentent certaines caractéristiques favorables, telles qu'une densité de couple et une efficacité élevées, ils peuvent ne pas être capables de fonctionner à des vitesses ultra-élevées en raison de facteurs tels que l'inertie du rotor et les forces centrifuges. Cette limitation impose des contraintes aux applications nécessitant une accélération et une décélération rapides ou un fonctionnement à grande vitesse.
Pour relever ce défi, des conceptions de rotor innovantes, des matériaux avancés et des techniques de refroidissement innovantes sont envisagées pour améliorer les capacités de vitesse des PMSM. Grâce à une construction de rotor optimisée, une réduction de l'inertie de rotation permet aux ingénieurs d'augmenter encore la réactivité et les performances à des vitesses élevées. En outre, le développement ultérieur de matériaux magnétiques et de systèmes de gestion thermique peut être utilisé pour réduire la surchauffe et les contraintes mécaniques lors d'un fonctionnement à grande vitesse.
Un autre défi technique des PMSM est lié à leur processus de démarrage. Au démarrage, pour les applications nécessitant une précision de contrôle et de synchronisation, les PMSM présentent un autre défi technique. Contrairement au moteur à induction, qui démarre automatiquement une fois connecté à une source d'alimentation, les PMSM ont besoin de signaux de commande externes pour démarrer la rotation. Cela augmente la complexité du système, en particulier lors du démarrage du processus de fonctionnement du moteur.
Pour surmonter ce défi, les chercheurs explorent des stratégies de contrôle innovantes et des techniques de démarrage de moteur sans capteur pour les PMSM. En mettant en œuvre des algorithmes et des technologies de capteurs avancés, les ingénieurs peuvent développer des procédures de démarrage robustes et fiables qui minimisent la dépendance aux signaux de commande externes. De plus, les progrès dans la conception et la construction des moteurs peuvent améliorer l’efficience et l’efficacité des séquences de démarrage des moteurs, rationalisant les opérations et améliorant les performances globales du système.
Nous sommes convaincus que malgré ces défis techniques, l'amélioration de la technologie des moteurs à aimants permanents va prévaloir. Compte tenu du rythme auquel les idées innovantes sont proposées et testées par les chercheurs et les ingénieurs, des réalisations remarquables peuvent être attendues pour surmonter certains défis techniques majeurs et ouvrir des perspectives vers de nouvelles applications des moteurs à aimants permanents dans différentes industries.
Si les problèmes de vulnérabilité aux coupures de courant, les limitations pour atteindre des vitesses élevées et le démarrage problématique du moteur étaient résolus, les moteurs PMSM rendraient la vie humaine et la production encore plus confortables et efficaces. Nous prévoyons facilement, grâce à ces collaborations et à des recherches continues, que les moteurs PMSM joueront un rôle important dans l'alimentation des technologies et des industries à court terme.
