Où est la direction future de développement du moteur synchrone de l'aimant permanent?

Où est la direction future de développement du moteur synchrone de l'aimant permanent? Analyse de la technologie et de la tendance de développement actuelles

Le développement de matériaux aimants permanents en terres rares dans les années 1970 a conduit à l'émergence de moteurs aimants permanents en terres rares. Ces moteurs utilisent des aimants de terres rares pour l'excitation, qui génèrent un champ magnétique permanent lorsqu'il est magnétisé. Avec des performances d'excitation supérieures, ils surpassent les moteurs conventionnels électriquement excités dans la stabilité, la qualité et la réduction des pertes, remodelant ainsi le marché moteur traditionnel.

Ces dernières années, avec le développement rapide de la science et de la technologie modernes, les performances et le processus des matériaux électromagnétiques, en particulier les matériaux électromagnétiques de terres rares, ont été progressivement améliorés, associés au développement rapide de la technologie de la transmission électrique et de la transmission de puissance, la technologie de contrôle automatique, les performances du moteur synchronique à aimant permanent s'améliorent de mieux en mieux.

De plus, le moteur synchrone de l'aimant permanent présente les avantages du poids léger, de la structure simple, de la petite taille, des bonnes caractéristiques et de la densité de puissance élevée. De nombreuses institutions et entreprises de recherche scientifiques effectuent activement la recherche et le développement d'un moteur synchrone aimant permanent, et son domaine d'application sera encore élargi.

Statut de développement et de recherche

1. La base de développement du moteur synchrone de l'aimant permanent

① Application de matériaux aimants permanents à terre rare haute performance

Les matériaux d'aimant permanent en terres rares ont évolué à travers trois étapes de développement: SMCO5, SM2CO17 et ND2FE14B. Aujourd'hui, les aimants de boron de fer néodymique (NDFEB) se distinguent comme le type le plus utilisé en raison de leurs performances magnétiques supérieures. L'avancement des aimants permanents a entraîné des progrès significatifs dans les moteurs aimants permanents. Contrairement aux moteurs à induction triphasés traditionnels excités électriquement, ces moteurs éliminent le besoin de pôles électriquement excités, simplifient la conception structurelle et éliminent les anneaux et les pinceaux de glissement du rotor. Cette innovation permet un fonctionnement sans pinceau, réduit la taille du rotor, améliore la densité de puissance et la densité de couple, améliore l'efficacité énergétique et permet aux moteurs d'être plus compacts et légers. Ces progrès ont élargi leur portée d'application et accéléré le développement de moteurs électriques plus puissants.

② Application de la nouvelle théorie du contrôle

Ces dernières années, les algorithmes de contrôle ont connu un développement rapide. Parmi eux, les algorithmes de contrôle des vecteurs ont fondamentalement résolu les problèmes de stratégie d'entraînement pour les moteurs AC, leur permettant d'obtenir d'excellentes performances de contrôle. L'émergence d'un contrôle direct du couple a simplifié la structure de contrôle tout en démontrant une forte adaptabilité aux variations des paramètres et une réponse de couple dynamique rapide. La technologie de contrôle du couple indirect aborde le problème de la pulsation de couple significative à basse vitesse dans le contrôle direct du couple, améliorant ainsi la vitesse du moteur et la précision de contrôle.

③ Applications d'électronique et de processeurs de puissance haute performance

Modern Power Electronics sert d'interface vitale entre l'industrie de l'information et les secteurs traditionnels, agissant comme un pont entre les systèmes à basse tension et les applications à haute tension contrôlées. L'avancement de Power Electronics a permis la mise en œuvre des stratégies de contrôle des variateurs. Par exemple, les années 1970 ont été témoins de l'émergence de convertisseurs de fréquence universels qui pourraient transformer l'alimentation de la fréquence industrielle en sources d'alimentation en fréquence en continu, créant ainsi des conditions pour la conversion de fréquence AC et la régulation de la vitesse. Ces convertisseurs de fréquence présentent des capacités de démarrage doux après réglage de la fréquence, permettant une accélération progressive de zéro à la fréquence cible à un taux prédéterminé. Le taux d'accélération peut être ajusté en continu sur une large gamme, résolvant efficacement les défis de démarrage des moteurs synchrones.

2. Statut de développement du moteur synchrone à aimant permanent au pays et à l'étranger

Le premier moteur de l'histoire était le moteur de l'aimant permanent. À cette époque, la performance des matériaux aimants permanentes était relativement médiocre, et la coercivité et la rémanence des aimants permanents étaient trop faibles, il a donc été rapidement remplacé par le moteur électriquement excité.

Dans les années 1970, les matériaux aimants permanents rare-terrains comme le bore de fer néodymique (NDFEB) ont acquis une importance en raison de leur coercivité exceptionnelle, de leur rémanence, de leur forte capacité de démagnétisation et de leur produit d'énergie magnétique élevée. Ces propriétés ont propulsé les moteurs synchrones de l'aimant permanent haute puissance sur le stade historique. Aujourd'hui, la recherche sur les moteurs synchrones de l'aimant permanent a mûri de manière significative, progressant vers des vitesses plus élevées, un couple plus élevé, une puissance plus élevée, une efficacité améliorée, ainsi que la miniaturisation et le développement intelligent.

Ces dernières années, des moteurs synchrones aimant permanents haut de gamme ont émergé dans l'industrie. Un exemple notable est le moteur à six phases 230R / min / 1095 kW développé par Siemens en Allemagne en 1986. Lorsqu'il est utilisé pour alimenter les vaisseaux navals, cette conception avancée réduit la taille du moteur de près de 60% par rapport aux moteurs CC traditionnels tout en réduisant les pertes d'énergie d'environ 20%. De plus, la société suisse ABB a construit des moteurs synchrones aimants permanents pour la propulsion du navire avec une capacité installée maximale de 38 MW.

Les recherches sur le moteur aimant permanent ont commencé à la fin en Chine, mais avec l'investissement solide des universitaires nationaux et du gouvernement, il s'est développé rapidement. À l'heure actuelle, la Chine a développé et produit un générateur d'éoliennes à aimant permanent à haute vitesse à 3 MW, et la société CRRC Zhuzhou développe également un moteur magnétique permanent plus puissant.

Avec le développement de la technologie des micro-ordinateurs et de la technologie de contrôle automatique, les moteurs synchrones de l'aimant permanent ont été largement utilisés dans divers domaines. Désormais, en raison du progrès social, les exigences des gens pour les moteurs synchrones de l'aimant permanent sont devenus plus exigeants, ce qui incite le développement de moteurs à aimant permanent pour avoir une plage de régulation de vitesse plus grande et un contrôle de précision plus élevé.

En raison de l'amélioration de la technologie de production, des matériaux aimants permanents à haute performance ont été développés. Cela rend son coût considérablement réduit et progressivement appliqué dans divers domaines de la vie.

 Technologie actuelle

1. Technologie de conception de moteur synchrone aimant permanent

Par rapport aux moteurs conventionnels excités électriquement, les moteurs synchrones de l'aimant permanent éliminent le besoin d'énergies d'excitation, de bagues de collecteur et d'armoires d'excitation. Cette conception améliore non seulement de manière significative la stabilité et la fiabilité, mais réalise également des améliorations d'efficacité substantielles. En particulier, les moteurs aimants permanents intégrés démontrent des avantages tels que une efficacité élevée, un facteur de puissance supérieur, une densité de puissance élevée par unité, une forte capacité d'accélération de vitesse basse tension et une réponse dynamique rapide, ce qui en fait des choix idéaux pour les applications de conduite. Cependant, les aimants permanents fournissent l'intégralité du champ magnétique d'excitation, ce qui augmente le couple de collage et provoque par conséquent les vibrations et le bruit du moteur pendant le fonctionnement. Le couple de décreagement excessif peut compromettre à la fois les performances à basse vitesse des systèmes de contrôle de vitesse et les capacités de positionnement de haute précision des systèmes de contrôle de position. Par conséquent, la conception du moteur devrait hiérarchiser l'optimisation des composants pour minimiser le couple de colmage.

La recherche indique que les méthodes courantes pour réduire le couple de l'emplacement dentaire comprennent la modification des coefficients de l'arc des pôles, la réduction de la largeur des fentes de stator, la mise en œuvre de créneaux inclinés et la coordination des fentes de poteau, ainsi que d'ajuster les positions, les dimensions et les formes magnétiques des pôles. Cependant, il est important de noter que ces mesures peuvent nuire à d'autres caractéristiques de performance du moteur, telles que la diminution potentielle du couple électromagnétique. Par conséquent, pendant la conception, les ingénieurs devraient s'efforcer d'équilibrer tous les facteurs pour atteindre des performances de moteur optimales.

2Technologie de simulation moteur synchrone à aimant permanent

La présence d'aimants permanents dans les moteurs d'aimants permanents présente des défis pour les concepteurs lors du calcul des paramètres tels que la perméabilité de fuite à sans charge et le coefficient de pôle. Le logiciel d'analyse par éléments finis est couramment utilisé pour optimiser ces paramètres moteurs. Ce logiciel permet des calculs de paramètres très précis et son application en analysant comment les paramètres du moteur affectent les performances donne des résultats fiables.

Les méthodes de calcul par éléments finis fournissent une approche plus pratique, efficace et précise pour analyser les champs électromagnétiques dans les moteurs. En tant que méthode numérique développée à partir de la méthode de différence finie, il a été largement adopté dans les disciplines scientifiques et ingénieurs. Le processus implique la discrétisation mathématique des domaines de solution continue en éléments discrets, suivis d'une interpolation par morceaux dans chaque élément pour former des fonctions d'interpolation linéaire (c'est-à-dire des fonctions d'approximation). Grâce à une analyse de simulation par éléments finis, nous pouvons observer visuellement les modèles de lignes de flux magnétiques et la distribution de la densité de flux dans les intérieurs du moteur.

3. Technologie de contrôle moteur synchrone de l'aimant permanent

L'amélioration des performances du système d'entraînement moteur est également cruciale pour le développement du contrôle industriel. Cette technologie optimise les performances du système grâce à ses caractéristiques fondamentales: offrir un couple élevé lors d'une accélération rapide et d'une accélération stationnaire dans des conditions à basse vitesse, tout en permettant une régulation de vitesse de puissance constante à grande gamme à haute vitesse. Le tableau 1 fournit une comparaison des mesures de performances clés du moteur.

Les moteurs à aimant permanent démontrent une fiabilité exceptionnelle, une plage de régulation à grande vitesse et une efficacité élevée. Lorsqu'il est associé à des méthodes de contrôle appropriées, l'ensemble du système moteur peut obtenir des performances optimales. Par conséquent, la sélection des algorithmes de contrôle appropriés pour une régulation efficace de la vitesse permet au système d'entraînement du moteur de fonctionner efficacement sur une plage de vitesse large et des zones d'alimentation constantes. Les méthodes de contrôle des vecteurs sont largement adoptées dans les algorithmes de régulation de la vitesse du moteur de magnét permanent en raison de leurs avantages, notamment une plage de contrôle de vitesse étendue, une efficacité élevée, une fiabilité, une stabilité et une efficacité. Ces méthodes sont largement utilisées dans les disques moteurs, les systèmes de transport ferroviaire et les applications de servo de machines-outils. Différents scénarios d'application nécessitent des stratégies de contrôle vectorielles actuelles correspondantes.

Caractéristiques et classifications

1 et 1Caractéristiques du moteur synchrone de l'aimant permanent

Les moteurs synchrones de l'aimant permanent présentent une structure simple, une faible perte d'énergie et un facteur de puissance élevé. Contrairement aux moteurs excités électriquement qui nécessitent des pinceaux et des commutateurs, ils éliminent le besoin de courants d'excitation réactifs. Cette conception réduit les pertes de courant du stator et de résistance, entraînant une efficacité plus élevée, un couple d'excitation plus élevé et des performances de contrôle supérieures. Cependant, ils sont confrontés à des défis tels que des coûts élevés et des mécanismes de démarrage difficiles. Avec les progrès des technologies de contrôle des moteurs - en particulier les systèmes de contrôle des vecteurs - les moteurs synchrones de l'aimant permanent permettent désormais une régulation de vitesse à large gamme, une réponse dynamique rapide et un contrôle de positionnement à haute précision. Ces capacités stimulent des efforts de recherche accrus dans divers domaines.

2. Classification des moteurs synchrones de l'aimant permanent

① Selon la division différente de la formation de forme d'onde de champ magnétique du rotor

En raison des différentes formes des aimants du rotor dans les moteurs synchrones de l'aimant permanent, les formes d'onde formées par la distribution spatiale du champ magnétique du rotor varient également. Conventionnellement, ils sont divisés en deux types: les systèmes de contrôle de la vitesse du moteur synchrones permanents sinusoïdaux (où le rotor génère une force électromotive arrière sinusoïdale sur le stator) et des moteurs CC sans balais (BLDCM), où le rotor produit une force d'électromotive arrière trapomotive trapézoïdale sur le stator.

② Selon la structure spatiale différente des aimants permanents dans le rotor

Les moteurs synchrones de l'aimant permanent sont classés en types montés sur surface et intégrés en fonction de la disposition spatiale des aimants permanents dans le rotor. Les modèles montés sur surface comportent des aimants en forme de tuiles qui adhèrent étroitement à la surface extérieure du noyau du rotor. Une caractéristique clé de ces moteurs est que les valeurs d'inductance pour les configurations à l'axe direct et à l'axe alternatif restent identiques.

Dans les moteurs aimants permanents intégrés, les aimants permanents sont logés dans le noyau du rotor. Entre la surface externe de ces aimants et la circonférence intérieure du noyau du stator, il y a des chaussures de poteau en matériau ferromagnétique. Ces chaussures à poteaux servent à concentrer le flux magnétique, améliorant ainsi la densité magnétique de l'air et améliorant la forme d'onde du champ magnétique à carreaux d'air. Une caractéristique clé de ce type de moteur aimant permanent est sa configuration asymétrique entre l'axe direct et les circuits magnétiques de l'axe alternatif.

Les performances de ces deux moteurs sont différentes. Comparé au moteur de l'aimant permanent de surface, le moteur aimant permanent intégré a les avantages d'une faible capacité d'expansion de la vitesse magnétique, d'une réponse dynamique rapide et d'un petit couple de colmage.

Tendance de développement du moteur synchrone de l'aimant permanent

1. moteur à courant continu de l'aimant permanent (BLDCM)

Depuis les années 80, les technologies de contrôle - contrôlent en particulier les stratégies de théorie - ont vu un développement rapide. Des approches avancées telles que le contrôle du mode coulissant et le contrôle de la structure variable sont désormais intégrés dans les contrôleurs pour les moteurs permanents sans balais de l'aimant. Cette progression a ouvert la voie à des systèmes haute performance pour évoluer vers des solutions intelligentes, flexibles et entièrement numérisées. Alors que le niveau de vie continue de l'augmentation et que la sensibilisation à la protection de l'environnement augmente, l'adoption de systèmes motrices à haute performance est devenu une tendance inévitable dans l'industrie automobile. Ces systèmes devraient également voir des applications plus larges dans de petits secteurs moteur tels que les véhicules électriques et les appareils électroménagers dans les années à venir.

2. Tendance de développement de PMSM

PMSM Servo System se développera dans deux directions en raison de son propre domaine de technologie et d'application:

① Systèmes de servomotes simples et à faible coût dans les champs de l'équipement d'automatisation de bureau, des machines-outils CNC simples, des équipements périphériques informatiques, des appareils électroménagers et du contrôle de mouvement industriel avec des exigences de faible performance;

② Machine-outils CNC de haute précision, robots, entraînement de précision pour l'équipement de traitement spécial, ainsi que des systèmes de servomotes à haute performance entièrement numériques, intelligents et flexibles pour l'aviation et l'aérospatiale. Ces derniers peuvent mieux refléter les avantages des systèmes de servomotes et seront la principale direction du développement futur.

Classification des méthodes de conception pour les moteurs synchrones de l'aimant permanent

1. Méthode du circuit magnétique:
Le champ magnétique alterné non uniforme dans un moteur peut être modélisé de manière équivalente en tant que circuit magnétique correspondant, transformant les calculs du champ magnétique en calculs de circuits magnétiques. Cependant, comme le calcul du circuit magnétique équivalent utilise de nombreux coefficients de correction, ses valeurs exactes ne peuvent pas être théoriquement déterminées. Par conséquent, les données empiriques sont généralement utilisées. Si la conception préliminaire ne répond pas aux exigences, les concepteurs doivent recalibrer les valeurs de correction et recalculer les résultats.

2. Méthode d'éléments finis ：
Pour garantir des calculs précis, une analyse des champs électromagnétiques est essentielle, y compris des facteurs tels que la configuration permanente du poteau d'aimant et la démagnétisation locale. L'utilisation d'un logiciel d'analyse par éléments finis pour le calcul numérique a considérablement réduit les coûts de développement de produits tout en fournissant des données précises pour l'optimisation des moteurs. Les progrès de la puissance de calcul ont permis l'évolution de diverses méthodes analytiques dans le calcul numérique de champ électromagnétique. La méthode des éléments finis transforme essentiellement les problèmes en systèmes structurellement résolubles, idéalisant des systèmes continus avec des degrés de liberté infinis en ensembles finis de cellules unitaires. Actuellement, ANSYS est le logiciel de simulation par éléments finis le plus utilisé, capable de mener des simulations conjointes complètes pour des systèmes moteurs entiers.

3. Méthode de combinaison de la route sur le terrain:

Bien que la méthode du circuit magnétique offre une vitesse de calcul rapide, elle manque de précision. Bien que les méthodes informatiques fournissent une précision élevée, elles sont à forte intensité de calcul et nécessitent un matériel avancé. En intégrant une analyse par éléments finis aux techniques de circuit magnétique traditionnelles dans les calculs numériques électromagnétiques du moteur, nous pouvons améliorer à la fois l'efficacité et la précision de calcul - une approche pratique avec une valeur significative pour la conception des paramètres du moteur. La méthodologie d'intégration du circuit de terrain suit un processus en trois étapes: les modèles géométriques d'abord sont établis préliminairement à l'aide de calculs de circuits magnétiques. Par la suite, une analyse par éléments finis est appliquée pour déterminer avec précision les coefficients nécessitant une correction dans la méthode du circuit magnétique équivalent.