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Moteurs PM Les moteurs à aimant permanent sont désormais également présents dans le secteur industriel. Contrairement aux moteurs à induction, les moteurs à aimant permanent sont équipés d'aimants qui créent le champ au démarrage. Cet article donne un aperçu des concepts, des principes et des composants clés des moteurs à aimant permanent.
La différence la plus fondamentale entre les moteurs PM et les moteurs à induction concerne la méthode de création du champ magnétique. Les moteurs à induction utilisent un champ rotatif induit dans les enroulements du stator pour induire des courants dans le rotor, qui interagissent ensuite avec le champ du stator pour créer la force motrice. L'une des caractéristiques particulières des moteurs à induction est qu'une différence de vitesse doit être présente entre le rotor et le champ magnétique pour induire le courant. De ce fait, ils fonctionnent bien lorsqu'ils sont couplés à des variateurs de fréquence pour obtenir un changement de vitesse.
Les moteurs à aimants, également appelés moteurs PM, génèrent des champs à l'aide d'aimants dans le rotor et ne nécessitent donc aucun champ statorique pour lier le flux. Cette conception naturellement adaptée se prête à une efficacité supérieure dans les applications nécessitant une variation de vitesse. En fonction de l'emplacement de l'aimant, il existe deux formes principales de moteurs à aimants permanents : les moteurs à aimants permanents de surface et les moteurs à aimants permanents intérieurs. La durabilité, la puissance magnétique et les caractéristiques électromagnétiques des moteurs varient selon le type.
Pour comprendre le fonctionnement des moteurs PM, il faut comprendre quelques-uns des concepts importants liés au flux, à la liaison de flux et aux champs magnétiques.
Un champ est créé lorsqu'un courant traverse un conducteur. Le flux est une mesure du taux de transfert d'une caractéristique sur une surface. Pour les moteurs, le flux correspond à la vitesse à laquelle le champ magnétique se propage sur la surface des fils.
La liaison de flux est une interaction d'un champ magnétique avec un matériau, comme le passage à travers une bobine. Elle dépend du nombre de tours de l'enroulement et du flux magnétique, qui est souvent représenté par le symbole ϕ qui indique la valeur du flux en fonction du temps. La formule pour trouver la liaison de flux est λ = N × ϕ, où λ est la liaison de flux, N est le nombre de tours et ϕ est le flux.
Diagramme de champ magnétique montrant comment le magnétisme se déplace dans l'espace d'un conducteur. Dans les moteurs à aimant, des aimants sont placés à la surface du rotor pour créer le champ.
Lors de l'examen des caractéristiques des moteurs PM, il est important de prendre en compte les concepts d'inductance et de FEM.
Inductance, L : C'est la constante de proportionnalité de la tension induite par rapport aux variations de courant. En d'autres termes, l'inductance est la liaison de flux par unité de courant. Elle est liée aux propriétés géométriques : le trajet du courant, et elle est mesurée en Henry (H). L'inductance dans les moteurs PM peut être différenciée en inductance d'axe d et inductance d'axe q selon la position du rotor et des pôles magnétiques.
Contre-EMF : La tension est 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 le cas des moteurs PM, le champ magnétique provient des aimants permanents sur le rotor ; par conséquent, des tensions seront induites dans les enroulements du stator tant que le rotor est en mouvement. Cela provoque une contre-EMF qui augmente linéairement avec l'augmentation de la vitesse du moteur, devenant ainsi un facteur clé pour déterminer la vitesse de fonctionnement maximale du moteur.
Deux axes importants sont utilisés pour la description des caractéristiques électromagnétiques des moteurs PM.
Axe D (axe direct) : il se situe dans 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 correspond à 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 sont différentes car la présence d'aimants réduit le matériau du noyau le long de l'axe d, réduisant ainsi l'inductance. Pour les moteurs PM de surface, les valeurs d'inductance des axes d et q sont presque identiques car les aimants se trouvent à l'extérieur du rotor et n'ont pas d'impact sur la connexion du champ magnétique du stator au noyau.
La saillance magnétique est une mesure de la variation relative de l'inductance des axes d et q par rapport à la position du rotor. L'une des considérations de conception les plus importantes pour les moteurs PM est la saillance magnétique. Dans la plupart des cas, elle est maximale à un angle électrique de 90 degrés où la différence entre l'inductance des axes q et d est la plus grande.
Les deux principaux composants du couple développé dans les moteurs PM sont le couple magnétique et le couple de réluctance. Le couple magnétique est dû à l'interaction entre le flux magnétique du rotor et le courant de l'enroulement du stator. Le couple de réluctance trouve son origine dans la préférence de l'axe du rotor à s'aligner le long du champ de flux du stator. Le couple de sortie réel du moteur sera déterminé par les deux.
Les différences les plus fondamentales entre les moteurs PM résident dans le fait qu'avec l'augmentation du courant de charge, les valeurs de l'inductance des axes d et q diminuent en raison de la saturation magnétique du matériau du noyau. Au-delà d'une certaine valeur de flux, l'inductance du noyau n'augmente plus et peut même diminuer.
L'affaiblissement du flux est une technique qui réduit le champ de flux pour diminuer la force contre-électromotrice afin de permettre des vitesses plus élevées. En règle générale, cette opération nécessite un courant supplémentaire dans le moteur et, en changeant la direction du courant dans l'axe d, le moteur peut affaiblir ou renforcer le flux en fonction des exigences opérationnelles.
Les moteurs PM peuvent être divisés en deux types de structure : les moteurs à aimants intérieurs et les moteurs à aimants de surface. Chaque type de structure de moteur PM présente des avantages et des inconvénients relatifs, le choix étant souvent lié à l'application. Par exemple, dans les applications où une résistance mécanique élevée à des vitesses élevées est requise, l'idéal sera la conception avec les aimants intégrés à l'intérieur du rotor, tandis que les moteurs à aimants de surface sont plus faciles à concevoir et entraînent des coûts inférieurs.
Les performances des moteurs à aimants permanents dépendent en grande partie des matériaux magnétiques. Les matériaux magnétiques permanents généralement utilisés dans les moteurs à aimants permanents, tels que le néodyme fer bore (NdFeB) et le samarium cobalt (SmCo), présentent des caractéristiques différentes : les performances magnétiques et la résistance à haute température varient. À cet égard, le choix du matériau magnétique est étroitement lié au scénario d'application et doit donc être choisi de manière appropriée lors du processus de conception du moteur.
Grâce aux avancées technologiques dans le domaine des entraînements, les variateurs de vitesse CA modernes sont également capables d'effectuer une détection automatique et même un contrôle en boucle fermée en détectant ou en suivant la position du pôle du moteur afin de maximiser le couple de sortie et d'optimiser l'efficacité. Ce schéma de contrôle trouve de nombreuses applications dans les servomoteurs utilisés dans les applications de contrôle de position, qui nécessitent à la fois une grande précision et des réponses rapides en termes de vitesse.
Les servomoteurs sont souvent dotés d'un aimant permanent interne et sont couplés à un amplificateur spécifique. Les deux ensemble, optimisés et réglés par le fabricant, sont conçus pour fonctionner de manière optimale. Dans les applications pratiques, les servomoteurs ont souvent été mis en œuvre dans les machines CNC, la robotique et les équipements d'automatisation.
Bien que ces matériaux soient appelés « aimants permanents », ce terme n’est pas permanent au sens propre du terme. En effet, en cas de changement des conditions extérieures, par exemple en cas de contrainte mécanique, de température élevée ou d’interférence électromagnétique forte, leur magnétisme peut faiblir ou disparaître.
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’influence de la température sur les matériaux est que chacun a une température, dite « température de Curie », où il n’est plus magnétique.
Les propriétés magnétiques des aimants peuvent être perturbées et entraîner une perte de 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 des moteurs PM.
X.Enneng : Faire progresser le développement des moteurs à aimants permanents à haut rendement
ENNENG était un fabricant de moteurs magnétiques, une société officiellement connue sous le nom de Qingdao Enneng Magnet Motor Co., Ltd. Elle est située dans la région de Qingdao en Chine. Les types de fabrication comprennent les types standard, courants et personnalisés comme les moteurs sans engrenage et entraînés. Les moteurs fabriqués par ENPMSM s'adressent aux industries des centrales électriques, de la métallurgie, des domaines chimiques, des mines et des champs pétroliers. Enneng est connue pour son accent sur l'innovation, abritant une équipe de recherche et développement avec des brevets techniques acquis. Son engagement envers le progrès lui a valu d'être reconnue comme l'une des « Cent entreprises innovantes » exceptionnelles de Qingdao.
Les moteurs PM sont très efficaces et précis, c'est pourquoi ils sont très demandés dans les applications grand public. Il est important de comprendre les principes et les concepts de ces moteurs pour une meilleure conception et une meilleure garantie des performances. Avec l'évolution de la technologie, les applications des moteurs PM trouveront des applications plus larges et contribueront de manière significative aux systèmes électriques.
