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Développement et application de moteurs à aimants permanents

2023-12-06 15:17:11

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Moteurs à aimant permanent utilisez des aimants permanents pour créer leur champ magnétique, éliminant ainsi le besoin d’une bobine ou d’un courant d’excitation. Caractérisé par une haute efficacité et conception simple, ces moteurs sont reconnus pour leurs qualités économes en énergie. En effet, le développement des moteurs à aimants permanents a été un long parcours, reflétant des progrès significatifs au fil du temps.

Classification du moteur synchrone à aimant permanent (PMSM)

Processus de développement

L'évolution des moteurs à aimants permanents est étroitement liée aux progrès des matériaux à aimants permanents. La Chine a la particularité d’être la première nation à reconnaître et à appliquer pratiquement les propriétés magnétiques de ces matériaux. Il y a plus de 2,000 XNUMX ans, ces propriétés ont été exploitées pour créer des boussoles, qui ont eu un impact profond sur la navigation et les stratégies militaires, entre autres domaines. Cette innovation est célébrée comme l’une des quatre grandes inventions de la Chine ancienne.

Le premier moteur électrique au monde est apparu dans les années 1820. En fait, ce moteur est un moteur à aimant permanent. Son champ magnétique est généré par des aimants permanents. Mais en réalité, cette technologie a disparu pendant un certain temps et n’a été largement utilisée que ces dernières années. Parce que le matériau d’aimant permanent utilisé à cette époque était la magnétite naturelle. La densité d'énergie magnétique de cette magnétite était particulièrement faible. Son utilisation pour fabriquer des moteurs rend les moteurs particulièrement gros. En raison de leur faible praticité, les moteurs à aimants permanents ont été lentement remplacés par des moteurs électriques à excitation. Son développement a également stagné pendant un certain temps. Mais certains scientifiques estiment qu'il est encore nécessaire d'étudier les moteurs à aimants permanents. Ainsi, tandis que d'autres changent de domaine, un petit nombre de personnes restent profondément impliquées dans ce domaine.

Alors que divers types de moteurs continuaient à progresser rapidement et que les magnétiseurs actuels étaient inventés, les chercheurs ont mené des recherches approfondies sur le mécanisme, la composition et la technologie de fabrication des matériaux à aimants permanents. Cela a conduit à la découverte d'une gamme de matériaux à aimants permanents, notamment l'acier au carbone, l'acier au tungstène et l'acier au cobalt. Notamment, les propriétés magnétiques des aimants permanents AlNiCo, apparus dans les années 1930, et des aimants permanents en ferrite, apparus dans les années 1950, ont été considérablement améliorées. En conséquence, l’excitation par aimant permanent est devenue largement utilisée dans divers micro et petits moteurs. La puissance des moteurs à aimants permanents varie de quelques milliwatts à des dizaines de kilowatts, et ils sont largement utilisés dans la production militaire, industrielle, agricole et dans la vie quotidienne. Ainsi, la production de moteurs à aimants permanents a connu une augmentation spectaculaire. Cette période a également vu des progrès significatifs dans la théorie de la conception, les méthodes de calcul, la magnétisation et la technologie de fabrication des moteurs à aimants permanents. Un ensemble de méthodologies d'analyse et de recherche, telles que la méthode du diagramme de travail à aimant permanent, a été établie à cette époque.

Cependant, la faible coercivité des aimants permanents AlNiCo et la faible densité de rémanence des aimants permanents en ferrite limitaient leur plage d'application dans les moteurs. Jusque dans les années 1960 et 1980, les aimants permanents en cobalt et en néodyme fer-bore (tous deux collectivement appelés aimants permanents en terres rares) sont apparus les uns après les autres. Leur densité de rémanence élevée, leur force coercitive élevée, leur produit d'énergie magnétique élevé et leurs excellentes propriétés magnétiques de courbe de démagnétisation linéaire sont particulièrement adaptés à la fabrication de moteurs, faisant entrer le développement de moteurs à aimants permanents dans une nouvelle période historique.

Caractéristiques des moteurs à aimants permanents

Par rapport aux moteurs électriques à excitation traditionnels, les moteurs à aimants permanents comprennent :

1. structure simple et fonctionnement fiable

2. petite taille et poids léger

3. Faible perte et haute efficacité

4. Formes et tailles de moteur flexibles et polyvalentes

Par conséquent, la gamme d’applications des moteurs à aimants permanents est extrêmement large, couvrant presque tous les domaines de l’aérospatiale tels que la défense nationale, la production industrielle et agricole et la vie quotidienne. Voici les principales caractéristiques de plusieurs moteurs à aimants permanents typiques et leurs principales applications.

Par rapport aux générateurs traditionnels, les générateurs à aimant permanent aux terres rares ne nécessitent pas de bagues collectrices ni de dispositifs à balais. Le générateur synchrone à aimant permanent a une structure simple et réduit le taux de défaillance. L'utilisation d'aimants permanents aux terres rares peut également augmenter la densité magnétique de l'entrefer, la vitesse du moteur à la valeur optimale et améliorer le rapport puissance/masse. Presque tous les générateurs modernes de l’aviation et de l’aérospatiale utilisent des générateurs à aimants permanents aux terres rares. Ses produits typiques sont des générateurs synchrones à aimant permanent au cobalt et aux terres rares de 150 kVA à 14 pôles, de 12 000 tr/min 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. Dans les années 1980, la Chine a développé avec succès les excitateurs auxiliaires à aimants permanents aux terres rares de 40 kVA à 160 kVA de plus grande capacité au monde, équipés de turbogénérateurs de 200 MW à 600 MW. Depuis lors, la fiabilité du fonctionnement de la centrale électrique a été considérablement améliorée. À l'heure actuelle, les petits générateurs entraînés par des moteurs à combustion interne pour des sources d'énergie indépendantes, les générateurs à aimant permanent pour les véhicules et les petites éoliennes à aimant permanent entraînées directement par des éoliennes sont progressivement promus.

Applications dans divers domaines

1. Les moteurs à aimants permanents à terres rares à économie d'énergie sont principalement destinés à la consommation, telle que le textile, les fibres chimiques, le pétrole, les mines et d'autres domaines. Les moteurs synchrones à aimants permanents aux terres rares sont utilisés dans les mines de charbon pour faciliter le transport des machines et entraîner diverses pompes et ventilateurs.

Moteurs électriques

2. Le système servo AC à moteur à aimant permanent de terres rares est une machine mécatronique avancée, composée d'un système de contrôle de vitesse électronique haute performance. Le moteur à aimant permanent aux terres rares représente une industrie de haute technologie prometteuse avec un potentiel de croissance important.

3. Un autre nouveau domaine est l'utilisation de divers micromoteurs CC à aimant permanent aux terres rares pour prendre en charge de nouveaux systèmes de contrôle de vitesse à fréquence variable pour les climatiseurs et les réfrigérateurs. Les moteurs à courant continu sans balais à aimants permanents aux terres rares sont des instruments avec des puissances différentes, et la demande pour de tels moteurs est également grande.

Les matériaux à aimants permanents aux terres rares offrent des avantages significatifs dans les applications aérospatiales et jouent un rôle crucial dans l’avancement de l’industrie aérospatiale. Alors que les moteurs à aimants permanents aux terres rares sont déjà utilisés dans certaines applications aérospatiales, telles que la régulation de la tension des générateurs et la protection contre les courts-circuits, les scientifiques conviennent unanimement que ces moteurs représentent une direction vitale pour le développement de moteurs aérospatiaux de nouvelle génération.

Difficultés techniques rencontrées par les moteurs à aimants permanents

1. Prix élevé des matériaux à aimant permanent

Le coût des matériaux à aimants permanents représente souvent plus de 50 % du coût global des matériaux. Les matériaux à aimants permanents nécessitent des ressources en terres rares. Dans la plupart des pays, les terres rares constituent une ressource extrêmement rare, caractérisée par des prix élevés et de faibles quantités. La plupart des terres rares du monde sont exportées de Chine. 

2. Phénomène de démagnétisation

Les moteurs à aimants permanents sont susceptibles d'une démagnétisation irréversible lorsqu'ils sont exposés à des conditions difficiles telles que des températures élevées et des vibrations fréquentes. Les facteurs contribuant à la démagnétisation comprennent la température de fonctionnement élevée du moteur, la température ambiante élevée et l'accumulation de chaleur. Une fois démagnétisé, les performances du moteur diminuent considérablement, le rendant potentiellement inutilisable. Pour atténuer la dégradation magnétique pendant le fonctionnement, une approche consiste à résoudre le problème à la racine en développant de nouveaux aimants permanents NdFeB hautement résistants à la chaleur et hautement magnétiques. Une autre stratégie consiste à améliorer la technologie anti-démagnétisation. Par exemple, l’intégration de la détection de charge, la réduction de la charge maximale, la mise en œuvre de mesures améliorées de dissipation thermique et la minimisation des démarrages fréquents peuvent contribuer à résoudre ce problème.

3. Technologie de contrôle

En raison du phénomène « d’aimant permanent » dans le moteur synchrone à aimant permanent, il est extrêmement difficile d’ajuster son champ magnétique de l’extérieur. Pour le moteur synchrone à aimant permanent actuel, l’idée de contrôle n’est pas d’effectuer un contrôle du champ magnétique, mais uniquement d’effectuer un contrôle de l’induit. Le moteur synchrone à aimant permanent est contrôlé à l'aide d'une combinaison de dispositifs électroniques et de contrôle par micro-ordinateur. Obtenez une gestion raffinée du contrôle de position, de vitesse et de couple.

En plus des défis évoqués précédemment, Moteurs synchrones à aimants permanents se heurtent à plusieurs obstacles techniques qui nécessitent davantage d’attention et d’innovation. Ces défis incluent la vulnérabilité aux pannes de courant, les limitations pour atteindre des vitesses élevées et les difficultés à démarrer le fonctionnement du moteur. Il est crucial de résoudre ces problèmes pour libérer tout le potentiel des PMSM et maximiser leur utilité dans diverses applications.

L’un des principaux défis techniques auxquels sont confrontées les PMSM est leur vulnérabilité aux pannes de courant. Contrairement aux moteurs à induction traditionnels, qui peuvent continuer à fonctionner même en l'absence d'alimentation, les PMSM s'appuient sur une source d'alimentation externe pour maintenir l'excitation du champ magnétique. En cas de panne de courant, les PMSM peuvent cesser leurs activités, entraînant des perturbations dans les processus et systèmes critiques.

Pour atténuer l'impact des pannes de courant sur le fonctionnement du PMSM, les chercheurs explorent des solutions innovantes telles que des systèmes de stockage d'énergie et des sources d'alimentation de secours. L'intégration de batteries de stockage ou de condensateurs dans les systèmes PMSM peut fournir une alimentation électrique temporaire en cas de panne, permettant un fonctionnement continu et minimisant les temps d'arrêt. De plus, les progrès de l’électronique de puissance et des algorithmes de contrôle peuvent améliorer la résilience des PMSM face aux fluctuations et aux interruptions de puissance.

Un autre défi technique associé aux PMSM réside dans leurs limites inhérentes à l’atteinte de vitesses élevées. Bien que les PMSM offrent des avantages tels qu'une densité de couple et une efficacité élevées, ils peuvent avoir du mal à 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 qui nécessitent une accélération et une décélération rapides ou un fonctionnement à grande vitesse.

Pour relever ce défi, les chercheurs étudient de nouvelles conceptions de rotor, des matériaux avancés et des techniques de refroidissement innovantes pour améliorer les capacités de vitesse des PMSM. En optimisant la construction du rotor et en réduisant l'inertie de rotation, les ingénieurs peuvent améliorer la réactivité et les performances des PMSM à des vitesses élevées. De plus, les progrès dans les matériaux magnétiques et les systèmes de gestion thermique peuvent aider à atténuer la surchauffe et les contraintes mécaniques associées au fonctionnement à grande vitesse.

Le démarrage du fonctionnement du moteur pose un autre défi technique pour les PMSM, en particulier dans les applications où un contrôle et une synchronisation précis sont requis. Contrairement aux moteurs à induction, qui peuvent démarrer automatiquement lorsqu'ils sont connectés à une source d'alimentation, les PMSM nécessitent des signaux de commande externes pour lancer la rotation. Cette dépendance à l'égard de signaux de commande externes peut introduire des complexités dans les procédures de démarrage du moteur et augmenter la complexité du système.

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.

Malgré les défis techniques auxquels sont confrontés les PMSM, nous restons fermement convaincus du progrès continu de la technologie des moteurs à aimants permanents. Alors que les chercheurs et les ingénieurs continuent de repousser les limites de l’innovation, nous prévoyons des avancées significatives pour surmonter les principaux obstacles techniques et ouvrir de nouvelles opportunités pour les PMSM dans divers secteurs.

En surmontant des défis tels que la vulnérabilité aux pannes de courant, les limitations pour atteindre des vitesses élevées et les difficultés de démarrage du fonctionnement du moteur, les PMSM peuvent encore améliorer la commodité et l'efficacité de la production humaine et de la vie quotidienne. Grâce à des efforts de collaboration et à des recherches en cours, nous sommes convaincus que les PMSM joueront un rôle de plus en plus important dans l’avenir de la technologie et de l’industrie.

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