Moteur PMSM : Le choix idéal pour une conduite efficace des véhicules électriques

I.Introduction

Avec l’accent mis à l’échelle mondiale sur la neutralité carbone et la modernisation rapide de l’industrie des véhicules électriques (VE), la demande de moteurs d’entraînement à haut rendement et hautes performances devient de plus en plus stricte. En tant que composant essentiel déterminant l'autonomie, les performances énergétiques et la fiabilité des véhicules électriques, le moteur PMSM est progressivement devenu la configuration principale des véhicules à énergies nouvelles, remplaçant les moteurs traditionnels dans de nombreux modèles haut de gamme et grand public.

Depuis les années 1970, le développement de matériaux à aimants permanents à base de terres rares a entraîné la modernisation des moteurs à aimants permanents, en s'appuyant sur le champ magnétique stable généré par les aimants permanents,Moteur pmsm pour EVa surmonté les goulots d'étranglement en termes de performances des moteurs à excitation électrique traditionnels, montrant des avantages évidents en matière d'économie d'énergie, de miniaturisation et de contrôle de précision. Cet article analysera en profondeur les caractéristiques techniques, les principaux avantages et la valeur pratique des moteurs PMSM, et discutera de leurs perspectives de développement dans le domaine des véhicules électriques.

II. Introduction aux moteurs PMSM et à leur rôle dans les véhicules électriques

Un moteur PMSM est un moteur à courant alternatif qui utilise des aimants permanents pour établir le champ magnétique du rotor, réalisant un fonctionnement synchrone entre le rotor et le champ magnétique rotatif du stator sans bagues collectrices, balais ou enroulements d'excitation du rotor. Contrairement aux moteurs traditionnels, son champ magnétique est fourni par des matériaux à aimants permanents de terres rares (tels que le néodyme-fer-bore Nd2Fe14B), qui possèdent d'excellentes propriétés magnétiques telles qu'une coercivité élevée, un magnétisme résiduel et un produit d'énergie magnétique.

Dans les véhicules électriques, lemoteur pmsmfor ev entreprend la tâche principale de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, affectant directement la réponse dynamique, la consommation d'énergie et l'expérience de conduite du véhicule.

Avec la maturité de la technologie du contrôle vectoriel, du contrôle direct du couple et des dispositifs électroniques de puissance, les moteurs PMSM ont résolu les problèmes historiques de démarrage difficile et de contrôle complexe, et sont largement utilisés dans les voitures particulières, les véhicules utilitaires et les véhicules spéciaux à énergie nouvelle. Des véhicules électriques hautes performances recherchant une accélération rapide aux voitures familiales axées sur la longue autonomie, les moteurs PMSM peuvent être personnalisés et ajustés pour répondre aux divers besoins de positionnement des produits.

Du point de vue de l'histoire du développement, le premier moteur au monde était un moteur à aimant permanent, mais il a été remplacé par des moteurs à excitation électrique en raison des performances rétrogrades des matériaux à aimant permanent. Ce n'est qu'avec l'émergence des matériaux de terres rares NdFeB dans les années 1970 que le moteur PMSM a retrouvé sa vitalité et s'est orienté vers une puissance élevée, un rendement élevé et une miniaturisation. Aujourd'hui, des entreprises de premier plan au pays et à l'étranger ont réalisé des percées dans la technologie PMSM de grande puissance, jetant ainsi une base solide pour sa popularisation dans l'industrie des véhicules électriques.

III. Le principe de fonctionnement et les caractéristiques techniques des moteurs PMSM

3.1 Le principe d'interaction entre les aimants permanents et les champs électromagnétiques

Le principe de fonctionnement de base du moteur PMSM est basé sur l'induction électromagnétique et l'effet d'excitation mutuelle entre les aimants permanents et le courant alternatif. Le rotor est équipé d'aimants permanents aux terres rares, qui génèrent un champ magnétique constant après magnétisation ; l'enroulement du stator est connecté à un courant alternatif triphasé pour former un champ magnétique tournant à vitesse et amplitude réglables.

Sous l'action de la force électromagnétique, le rotor est « verrouillé » avec le champ magnétique tournant du stator et fonctionne de manière synchrone, avec une vitesse de rotation égale à la vitesse synchrone (pas de perte de glissement), ce qui améliore fondamentalement l'efficacité de conversion d'énergie.

3.2 Le processus de conversion énergétique efficace

Comparé aux moteurs traditionnels à excitation électrique, le moteur pmsm pour ev élimine la perte d'excitation des enroulements du rotor et la perte mécanique des balais et des bagues collectrices, et le courant du stator n'a besoin que de fournir un courant de couple, réduisant ainsi considérablement la perte de cuivre et la perte de fer. Dans le processus de conversion d'énergie, le champ magnétique des aimants permanents est stable et fiable, et la perte d'énergie est contrôlée à un faible niveau : même dans des conditions de charge partielle ou de travail à faible vitesse, il peut maintenir un rendement élevé, ce qui est crucial pour étendre l'autonomie des véhicules électriques.

3.3 Contrôle précis de la vitesse et du couple

Le contrôle précis du moteur PMSM repose sur des algorithmes de contrôle avancés et des dispositifs électroniques de puissance hautes performances. Le contrôle vectoriel (FOC) résout le problème de la régulation de la vitesse du moteur à courant alternatif à partir du principe, réalisant une régulation de vitesse fluide dans une large plage et une réponse rapide du couple ; Le contrôle direct du couple (DTC) simplifie la structure de contrôle, avec une forte robustesse aux changements de paramètres et une réponse dynamique rapide.

Pour les véhicules électriques, cela signifie que le moteur peut produire instantanément un couple important lors du démarrage et de l'accélération, et maintenir un fonctionnement stable pendant la croisière à grande vitesse, tout en obtenant une correspondance précise entre la vitesse et le couple en fonction des conditions de conduite, optimisant ainsi la consommation d'énergie.

De plus, l'application de processeurs hautes performances et de dispositifs électroniques de puissance a encore amélioré la précision du contrôle et la vitesse de réponse des moteurs PMSM. Les convertisseurs de fréquence généraux peuvent convertir la puissance à fréquence industrielle en puissance à fréquence variable, résolvant ainsi le problème de démarrage des moteurs synchrones et fournissant une garantie technique fiable pour l'application du moteur pmsm pour les véhicules électriques.

IV. Avantages des moteurs PMSM pour une conduite efficace dans les véhicules électriques

4.1 Améliorer l'autonomie avec une efficacité élevée

L'efficacité à pleine charge du moteur PMSM peut atteindre 94 % à 97 %, soit 3 à 5 points de pourcentage de plus que celle des moteurs asynchrones traditionnels. Plus important encore, il peut maintenir un rendement élevé dans des conditions de charge partielle, ce qui représente la plupart des scénarios de conduite quotidiens des véhicules électriques.

Pour les véhicules électriques avec une capacité de batterie limitée, une efficacité moteur plus élevée se traduit directement par une autonomie plus longue : avec la même configuration de batterie, les véhicules équipés d'un moteur pmsm pour véhicules électriques peuvent augmenter leur autonomie de 10 à 15 %, atténuant ainsi efficacement l'anxiété des utilisateurs en matière d'autonomie.

4.2 Renforcer les performances de puissance avec une densité de couple élevée

En raison de l'élimination des enroulements d'excitation du rotor et de l'adoption d'aimants permanents aux terres rares hautes performances, le moteur PMSM présente les caractéristiques d'une structure compacte, d'une petite taille et d'un poids léger. Sous le même volume et le même poids, sa densité de couple est de 20 à 30 % supérieure à celle des moteurs asynchrones, ce qui peut fournir une puissance de sortie plus élevée.

Pour les véhicules électriques, cela signifie que le moteur peut être disposé de manière plus flexible, et en même temps, il peut produire un couple important à basse vitesse, réalisant une accélération rapide et de fortes performances de montée, améliorant ainsi le plaisir de conduite.

4.3 Répondre à divers besoins avec une large plage de régulation de vitesse

Grâce à la technologie de contrôle vectoriel et à la technologie d'expansion de vitesse magnétique faible, le moteur pmsm pour ev dispose d'une large plage de régulation de vitesse : basse vitesse, couple élevé et haute vitesse, la puissance constante peut être commutée de manière transparente. Cela permet aux véhicules électriques de s'adapter à des conditions de conduite complexes : ils peuvent produire un couple important de manière stable lors du démarrage et de la montée, et maintenir une efficacité et une stabilité élevées lors d'une croisière à grande vitesse. En particulier pour les moteurs PMSM intégrés, ils ont une excellente capacité d'expansion de vitesse magnétique faible, ce qui peut étendre davantage la plage de travail à grande vitesse et répondre aux exigences de vitesse diversifiées des véhicules électriques.

4.4 Assurer la sécurité de conduite avec une fiabilité élevée

Le moteur PMSM adopte une structure sans balais, éliminant les risques d'usure et de défaillance des balais et des bagues collectrices, et sa durée de vie peut atteindre plus de 15 ans (correspondant à la durée de vie des véhicules électriques). Dans le même temps, grâce à la simplification de la structure, le taux de défaillance est nettement inférieur à celui des moteurs traditionnels.

Dans le processus de conception, en optimisant le coefficient d'arc polaire, la largeur des fentes et en adoptant des fentes asymétriques et d'autres mesures, le couple d'encoche est réduit, les vibrations et le bruit pendant le fonctionnement du moteur sont minimisés et le confort de conduite et la sécurité sont améliorés. De plus, une technologie de gestion thermique mature peut empêcher efficacement la démagnétisation des aimants permanents causée par des températures élevées, garantissant ainsi un fonctionnement stable dans des conditions de travail extrêmes.

V. Cas d'application pratique des moteurs PMSM dans les véhicules électriques

À l’échelle mondiale, le moteur pmsm pour véhicules électriques est devenu le moteur d’entraînement préféré des grands constructeurs automobiles. Par exemple, la Tesla Model 3/Y adopte un moteur synchrone intérieur à aimant permanent, qui réalise un équilibre entre haute efficacité et hautes performances : son efficacité moteur atteint 97 % dans des conditions de travail optimales, et le temps d'accélération de 0 à 100 km/h est aussi faible que 3,3 secondes. BYD, un constructeur automobile national, a développé indépendamment un moteur à pales, largement utilisé dans des modèles tels que Han et Tang.

Il utilise des matériaux à aimants permanents néodyme-fer-bore et optimise la conception du circuit magnétique, avec une densité de couple de plus de 40 N·m/kg et un rendement maximum de 98,5 %.

Dans le domaine des véhicules utilitaires, les bus légers électriques de SAIC Maxus et les camions électriques de Foton sont également équipés de moteurs PMSM personnalisés, qui peuvent s'adapter aux conditions de travail de démarrages et d'arrêts fréquents et de charges lourdes, et la consommation d'énergie aux 100 kilomètres est inférieure de 15 à 20 % à celle des véhicules équipés de moteurs asynchrones.

À l'échelle internationale, BMW iX3 et Mercedes-Benz EQC utilisent également des moteurs PMSM comme composant d'entraînement principal, s'appuyant sur leur fiabilité et leur efficacité élevées pour améliorer la compétitivité de leurs produits sur le marché.

En termes de soutien industriel, des entreprises automobiles de premier plan telles que Siemens et ABB ont également réalisé d'importantes percées dans le domaine des moteurs PMSM pour la technologie des véhicules électriques. Siemens a développé dès 1986 un moteur PMSM six phases de 1 095 kW, utilisé pour la propulsion des navires, avec un volume réduit de près de 60 % par rapport aux moteurs à courant continu traditionnels. Le moteur PMSM d'ABB destiné à la propulsion des navires a une capacité installée maximale de 38 MW, établissant ainsi une base technique pour l'application des moteurs PMSM dans des scénarios de puissance élevée.

En Chine, CRRC Zhuzhou a développé un générateur éolien à aimant permanent à grande vitesse de 3 MW, et sa technologie a été transférée au domaine des véhicules électriques, favorisant la mise à niveau des moteurs PMSM nationaux.

VI. Comparaison des moteurs PMSM avec d'autres moteurs d'entraînement

6.1 Comparaison avec les moteurs à induction asynchrones

Les moteurs à induction asynchrones (IM) présentent les avantages d’un faible coût, d’une structure simple et d’une grande robustesse, et étaient autrefois largement utilisés dans les premiers véhicules électriques. Cependant, par rapport au moteur PMSM, leurs inconvénients sont évidents : le rendement à pleine charge n'est que de 90 à 93 % et le rendement chute considérablement en charge partielle ; la densité de couple est faible, ce qui entraîne un volume et un poids plus importants ; la précision de la régulation de vitesse est limitée par le glissement et la réponse dynamique est lente.

Pour les véhicules électriques recherchant autonomie et performances, le moteur pmsm pour ev est devenu un choix plus idéal, tandis que les moteurs asynchrones ne sont retenus que dans un petit nombre de modèles à faible coût ou de véhicules spéciaux de haute puissance.

6.2 Comparaison avec les moteurs à réluctance commutée

Les moteurs à réluctance commutée (SRM) présentent les avantages d'une structure simple, d'un faible coût et de l'absence de risque de démagnétisation. Cependant, ils présentent des inconvénients évidents tels qu’une ondulation de couple importante, un bruit élevé et un faible rendement, qui limitent leur application dans les véhicules de tourisme. Le moteur PMSM a une meilleure douceur, moins de bruit et un rendement plus élevé, ce qui peut mieux répondre aux exigences de confort des véhicules électriques.

De plus, la précision de contrôle et la réponse dynamique des moteurs PMSM sont bien supérieures à celles du SRM, ce qui les rend plus adaptés aux scénarios exigeant des performances de conduite élevées. Par conséquent, le SRM n’est utilisé que dans un petit nombre de véhicules électriques bas de gamme et d’équipements spéciaux, tandis que les moteurs PMSM dominent le marché grand public des véhicules électriques.

VII. Les tendances de développement et les défis des moteurs PMSM

7.1 Tendances de développement

Le développement futur du moteur PMSM se concentrera sur deux directions : faible coût et hautes performances. En termes de faible coût, la recherche et l'application de matériaux pour aimants permanents autres que les terres rares et de matériaux pour aimants permanents recyclés réduiront la dépendance au néodyme-fer-bore, et l'optimisation des processus de conception et de fabrication réduira davantage les coûts de production.

En termes de hautes performances, le moteur pmsm pour véhicules électriques évoluera vers une vitesse élevée, un couple élevé et une intelligence : en adoptant des dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) et des algorithmes de contrôle avancés (tels que le contrôle du mode coulissant, le contrôle adaptatif), l'efficacité et la vitesse de réponse seront encore améliorées, et l'intégration avec les systèmes intelligents montés sur véhicule sera réalisée pour réaliser un ajustement adaptatif en fonction des habitudes de conduite.

En outre, la combinaison de la technologie de simulation et de la technologie de conception deviendra une direction clé du développement. Le logiciel d'analyse par éléments finis peut calculer avec précision les paramètres du moteur tels que la distribution du champ magnétique et le couple d'encoche, et la méthode de combinaison champ-circuit peut équilibrer l'efficacité et la précision du calcul, raccourcissant ainsi le cycle de développement des moteurs PMSM. Dans le même temps, les moteurs CC sans balais à aimant permanent (BLDCM) seront davantage intégrés à la technologie PMSM, et des stratégies de contrôle avancées seront introduites pour étendre leur application dans les appareils électroménagers et les petits véhicules électriques.

7.2 Défis fondamentaux

Malgré ses avantages évidents, le moteur PMSM reste confronté à de nombreux défis dans le domaine des véhicules électriques. Premièrement, le prix des matériaux à aimants permanents à base de terres rares est volatil et la chaîne d'approvisionnement est affectée par les politiques et les facteurs environnementaux, ce qui entraîne des risques de coûts pour les fabricants. Deuxièmement, le problème de la démagnétisation des aimants permanents dans des conditions extrêmes n’a pas été complètement résolu, ce qui nécessite une optimisation supplémentaire de la gestion thermique et de la conception des circuits magnétiques. Troisièmement, le système de contrôle est complexe et le seuil de recherche et développement de la technologie de contrôle sans capteur et de démarrage à basse vitesse est élevé, ce qui limite la vulgarisation des petites et moyennes entreprises.

De plus, la technologie de recyclage et de réutilisation des matériaux à aimants permanents n'est pas encore mature, ce qui exerce une pression environnementale sur l'élimination en fin de vie des moteurs PMSM pour véhicules électriques. Équilibrer performances, coûts, protection de l’environnement et fiabilité est devenu un enjeu clé pour le développement durable des moteurs PMSM.

VIII. Conclusions et perspectives

Avec ses avantages de rendement élevé, de densité de couple élevée, de large plage de régulation de vitesse et de fiabilité élevée, le moteur PMSM est devenu le choix idéal pour une conduite efficace des véhicules électriques et occupera davantage la position dominante sur le marché des moteurs d'entraînement pour véhicules électriques avec la mise à niveau de la technologie des matériaux de terres rares et de la technologie de contrôle. Pour les constructeurs de véhicules électriques, optimiser la conception du moteur PMSM pour véhicules électriques, réduire les coûts et améliorer la fiabilité seront la compétitivité essentielle pour conquérir le marché ; pour les consommateurs, les véhicules équipés de moteurs PMSM peuvent apporter une meilleure expérience de conduite et des coûts d'utilisation réduits.

En regardant vers l'avenir, avec la percée des matériaux à aimants permanents autres que les terres rares, de la technologie de contrôle intelligent et de la technologie de recyclage, les goulots d'étranglement techniques des moteurs PMSM seront progressivement résolus et leurs domaines d'application seront encore élargis : des voitures particulières et des véhicules commerciaux aux navires à nouvelles énergies, à l'aérospatiale et à d'autres domaines haut de gamme. En tant que composant essentiel des véhicules à énergie nouvelle, le moteur PMSM continuera à promouvoir la transformation et la modernisation de l'industrie automobile mondiale, contribuant ainsi à la réalisation des objectifs de neutralité carbone.