By
En raison de ses applications de contrôle très efficaces et précises et de son efficacité, Moteurs synchrones à aimants permanents Les aimants permanents à aimants permanents (PMSM) sont devenus indispensables pour les industries. Le principe de base très simple qui sous-tend l'interaction des champs magnétiques et des courants électriques est la force de Lorentz. La manière dont les forces de Lorentz entrent en jeu par rapport aux aimants permanents à aimants permanents fournira des connaissances importantes pour les deux optimiser les performances du moteur et parvenir à des solutions d’économie d’énergie. . Cet article décrit les bases de la force de Lorentz, le fonctionnement des PMSM et une compréhension plus approfondie de ses implications d'un point de vue relationnel.
Fondamentaux de la Force de Lorentz
La force de Lorentz est l'une des conceptions de base de l'électromagnétisme ; elle prend en compte l'interaction des champs magnétiques avec les courants électriques. Ce phénomène a été décrit par le physicien néerlandais Hendrik Lorentz à la fin du XIXe siècle et porte son nom depuis lors.
La force de Lorentz est à la base de la force agissant sur les particules chargées se déplaçant dans un champ magnétique. Elle agit de manière directement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique, à la charge de la particule et à sa vitesse. Selon la règle de la main droite, la direction de cette force est perpendiculaire à la fois au champ magnétique et à la direction de la vitesse de la particule.
Le principal facteur de mouvement et de couple dans les moteurs à aimant permanent est la force de Lorentz. Les moteurs à aimant permanent sont constitués d'un stator avec des bobines et d'un rotor avec des aimants permanents. Lorsque le courant traverse les bobines du stator, le champ magnétique produit interagit avec le champ magnétique des aimants du rotor et développe une force qui fait tourner le rotor.
Pour comprendre comment la force de Lorentz influence le fonctionnement d'un moteur synchrone à aimant permanent, commençons par comprendre les principes sous-jacents de la génération des forces électromagnétiques. Le principe de la génération des forces électromagnétiques repose essentiellement sur l'interaction entre les champs magnétiques et les courants électriques. Chaque fois qu'un courant électrique traverse un conducteur (un fil, par exemple), un champ magnétique est produit. Cependant, chaque fois qu'un conducteur traverse le champ magnétique, un courant est induit.
Les deux lois fondamentales de la théorie de l'électromagnétisme qui régissent les relations entre les champs magnétiques et les courants électriques sont : la loi d'Ampère et la loi de Faraday. Selon la loi d'Ampère, le champ magnétique dû à un courant électrique est directement proportionnel à l'intensité du courant et inversement proportionnel à la distance par rapport au conducteur. La loi de Faraday stipule qu'un changement de flux associé à un conducteur induit un courant dans le même conducteur. Au total, cet ensemble de lois décrit les bases mêmes de la manière dont une force électromagnétique pourrait être à l'origine du fonctionnement du PMSM. Dans le PMSM, les bobines du stator utilisent une sorte de modèle d'agencement dans leur enroulement autour du rotor avec un champ magnétique rotatif, et interagissent donc avec le champ magnétique du rotor à l'arrêt. Ce champ génère un couple sur le rotor pour la rotation, ce qui donne lieu à un entraînement en rotation de son arbre de sortie.
L'amplitude de la force de Lorentz générée dans le moteur est définie par l'amplitude du champ magnétique et du courant dans la bobine du stator. La géométrie et la disposition des bobines du stator sont également importantes pour définir les performances du moteur. Par exemple, le nombre de pôles sur le stator et le rotor influence la forme de la courbe vitesse/couple du moteur. De même, l'utilisation de différents types d'aimants permanents a un impact sur les niveaux de flux magnétique et donc sur l'efficacité globale du moteur.
Principes de fonctionnement du PMSM
Les PMSM sont des machines électriques dont les applications vont des machines industrielles aux véhicules entièrement électriques. Elles sont également très utilisées dans de nombreuses industries en raison de leur rendement élevé, de leur contrôle précis et de leur taille compacte. Il est essentiel de comprendre le fonctionnement d'un PMSM pour exploiter efficacement toutes ses capacités.
Dans le PMSM, les parties stator et rotor interagissent entre elles. Le stator est constitué de plusieurs bobines enroulées d'une certaine manière, tandis que le rotor est composé d'aimants permanents. Ces aimants permanents fournissent donc un champ magnétique constant interagissant avec le champ magnétique variable donné par le stator.
Le principe de fonctionnement d'un PMSM est l'induction électromagnétique. Le champ magnétique variable dans le temps est créé dans un PMSM par le passage d'un courant à travers les bobines du stator. Selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, ce champ magnétique variable dans le temps induit un courant dans le rotor. Ce courant induit génère son champ magnétique en interaction avec le champ magnétique du stator.
Plus fondamentalement, cela est dû au fait que l'interaction développée à partir des champs magnétiques émanant du stator et du rotor crée le couple, le faisant ainsi tourner. Cela décrit conventionnellement une force dite de Lorentz, définie plus haut dans la section précédente ; sa grandeur et sa direction dépendraient de la force du champ magnétique, d'une part, et de la géométrie et du courant circulant dans les bobines du stator, d'autre part.
Il fournit un retour d'information sensoriel essentiel sur la position et la vitesse du rotor pour une précision dans le contrôle des PMSM. Un contrôle précis peut donc être assuré à partir de ces informations obtenues en termes de réglage du vecteur de courant du stator pour un couple optimal et une efficacité maximale. Ces types courants comprennent les encodeurs, les résolveurs et les capteurs à effet Hall.
Les moteurs PMSM offrent la possibilité de fonctionner à vitesse synchrone. La vitesse synchrone fait référence à la vitesse à laquelle le champ magnétique rotatif du stator est à une vitesse similaire à celle du rotor. Ce fonctionnement synchrone est rendu possible par un contrôle approprié de la fréquence et de l'amplitude du courant du stator, offrant ainsi un rendement élevé du moteur.
La vitesse de synchronisation du PMSM dépend du nombre de pôles sur le stator et le rotor. Le nombre de pôles est censé indiquer le nombre de paires de pôles nord-sud dans le moteur. Par exemple, un moteur à quatre pôles possède deux pôles nord et deux pôles sud sur son stator et son rotor. Le nombre de pôles influence également les caractéristiques vitesse-couple du moteur, ce qui permet une conception optimisée pour diverses spécifications d'application.
Outre leur rendement élevé et leur contrôle précis, les moteurs PMSM présentent d'autres avantages, notamment une densité de puissance élevée, c'est-à-dire la capacité à fournir plus de puissance avec une taille réduite. Ils ont une large plage de fonctionnement, ce qui signifie qu'ils peuvent fonctionner efficacement à différentes vitesses et charges. De plus, les moteurs PMSM génèrent moins de chaleur et nécessitent moins d'entretien que les autres types de moteurs, ce qui, après un certain temps, se traduit par des économies de coûts.
Le principe de base du moteur synchrone à aimant permanent repose donc généralement sur la relation entre les champs magnétiques du stator et du rotor, rendue possible par les forces de Lorentz. Un contrôle approprié du courant du stator permettra au moteur d'ajuster précisément sa vitesse et son couple.
Relation entre Lorentz Force et les PMSM
Dans un PMSM, la force de Lorentz joue un rôle important dans le fonctionnement du moteur. Grâce à cette force, le rotor du moteur tourne en interagissant dans le champ magnétique créé par les parties stator et rotor.
Le stator, dans le cas d'un PMSM, est constitué de bobines. Comme il y a un flux de courant dans ces bobines, un champ magnétique dû à celles-ci serait généré selon la loi d'Ampère. Il est constitué d'aimants permanents et possède un champ magnétique constant. Lorsque le moteur commence à fonctionner, une force de Lorentz apparaît en raison de l'interférence des deux champs magnétiques. La force de Lorentz agissant sur une particule chargée qui se déplace dans un champ magnétique est donnée par F = q(vx B).
L'équation fondamentale pour les phénomènes électromagnétiques est la suivante : où F est la force de Lorentz, une charge de la particule se déplaçant avec la vitesse v au vecteur de champ magnétique, où les PMSM déplacent généralement des particules chargées qui prennent la forme d'électrons circulant réellement à travers les bobines du stator tandis que le champ magnétique est la somme du champ produit par le stator au rotor.
La force de Lorenz est toujours perpendiculaire au champ magnétique et à la direction du mouvement des particules chargées, tandis que sa détermination suit la règle de la main droite. En fait, c'est à cause de cette force que le couple est généré pendant la rotation dans un PMSM. L'ampleur de cette force dépend de plusieurs facteurs, notamment de l'intensité du champ magnétique, de la charge des particules, qui est elle-même liée au courant traversant la bobine du stator, et de la vitesse des particules, liée à la vitesse du rotor.
Les discussions qui suivent expliquent comment les forces de Lorentz sont liées aux moteurs synchrones à aimants permanents, en tenant compte du fait qu'ils fonctionnent dans différents modes. Dans le mode moteur dans lequel le moteur est alimenté en énergie, la direction de la force de Lorentz est opposée à la direction du couple de charge. Par conséquent, on pourrait interagir et entraîner une charge mécanique avec le moteur.
En mode générateur, lors du ralentissement ou du freinage du moteur, la charge mécanique applique un couple dans le sens opposé à la rotation du rotor. Pendant ce temps, la force de Lorentz agit dans le sens de la décélération et génère de l'énergie électrique qui peut être réinjectée dans le système d'alimentation électrique. Cette capacité de freinage régénératif est l'un des principaux avantages des PMSM, car elle augmente l'efficacité énergétique globale.
Cette relation entre la force de Lorentz, le champ magnétique et le courant peut être optimisée de manière à obtenir les meilleures performances des moteurs. En modifiant la quantité de courant traversant les bobines du stator, on peut obtenir une variation de l'intensité du champ magnétique. Cela affectera évidemment l'amplitude de la force de Lorentz et, par conséquent, le couple résultant. Cela permet ainsi un contrôle très précis de la vitesse et de la position en contrôlant avec précision l'amplitude de la force de Lorentz, ce qui permet un fonctionnement fluide et efficace des moteurs.
Autrement dit, lors de la conception du moteur, le nombre de pôles du stator et du rotor affecte la force de Lorentz et, par conséquent, les performances du moteur. Le nombre de pôles définit les caractéristiques vitesse-couple du moteur. Plus le nombre de pôles est élevé, plus la vitesse est faible mais le couple de sortie est élevé ; moins le nombre de pôles est élevé, plus la vitesse est élevée avec un couple de sortie plus faible. Cette flexibilité de conception permet à l'ingénieur de personnaliser les PMSM en fonction des besoins de l'application.
Cela signifie encore une fois qu'une force de Lorentz - une composante du mécanisme d'entraînement de moteur synchrone à aimant permanent La rotation se produit donc comme une interaction entre les champs magnétiques créés à la fois par les composants du stator et du rotor, tandis que les forces de Lorentz par rapport à la relation avec les PMSM en général permettent un contrôle précis de leurs performances efficaces. Leurs principaux avantages sont une très grande efficacité, une petite taille et un freinage régénératif. C'est un fait qui explique leur popularité pour les applications dans l'industrie et les véhicules : ils sont fiables et assurent un niveau élevé de densité de puissance. En utilisant le principe de la force de Lorentz en application, les ingénieurs conçoivent et optimisent davantage la topologie PMSM pour répondre à des besoins particuliers, contribuant ainsi à la mise à niveau des systèmes de propulsion électrique ou des systèmes d'économie d'énergie.
