Propulsion à haut rendement des véhicules électriques : Systèmes de moteurs synchrones à aimant permanent
Le moteur synchrone à aimant permanent est la principale force motrice des véhicules à énergie nouvelle, en raison de son rendement élevé, de sa forte puissance et de sa souplesse de conception. Les marchés mondiaux des véhicules électriques ont connu une croissance rapide, et le PMSM redessine l'avenir de l'industrie automobile grâce à son excellente densité de puissance et à ses performances en matière d'économie d'énergie.
Un moteur synchrone à aimants permanents est un moteur synchrone à courant alternatif triphasé. Son principe est que les aimants permanents sur le rotor génèrent un champ magnétique constant, qui interagit avec le champ magnétique rotatif formé par l'enroulement du stator pour entraîner le rotor à tourner à une vitesse synchrone. Par rapport aux moteurs à induction traditionnels, le PMSM n'a pas de perte de glissement. Lorsque l'enroulement triphasé du stator est alimenté, un champ magnétique rotatif est généré pour obtenir une puissance efficace et précise.
Le PMSM est principalement composé d'un stator et d'un rotor. Le stator utilise généralement un noyau laminé de feuilles d'acier au silicium avec des enroulements, qui est responsable de la génération d'un champ magnétique rotatif ; le rotor est encastré ou monté en surface avec des aimants permanents pour fournir un champ magnétique constant. Les PMSM adoptent généralement une conception à rotor interne, mais la structure à rotor externe est également utilisée dans certains appareils ménagers à haut rendement.
Classification des noyaux : SPMSM et IPMSM
En fonction de la position des aimants permanents dans le rotor, les PMSM sont principalement divisés en deux catégories :
Moteur synchrone à aimants permanents de surface (SPMSM) : les aimants permanents sont directement fixés à la surface du rotor, et les inductances des axes CA et CC sont égales. Sa structure est simple et convient aux applications qui exigent une réponse rapide et une capacité de surcharge élevée, telles que les servosystèmes d'automatisation industrielle.
Moteur synchrone à aimant permanent intégré : L'aimant permanent est intégré dans le noyau du rotor, et les inductances des arbres CA et CC ne sont pas égales. Cette structure utilise le principe du couple de réluctance pour fournir une densité de couple élevée et une large plage de vitesse, et constitue le choix principal pour les systèmes de traction des véhicules à énergie nouvelle.
Conception et optimisation du rotor
Le rotor est l'élément central du moteur synchrone à aimant permanent (PMSM), qui détermine si le véhicule électrique accélère rapidement et si l'endurance est plus longue. Sa conception s'apparente à l'"engrenage central" d'un moteur de voiture, et il apporte une forte puissance et une expérience silencieuse en plaçant astucieusement de puissants aimants.
Le rotor utilise des aimants NdFeB, un aimant à haute performance qui permet au moteur d'atteindre un rendement de 95% et d'économiser 15% d'énergie par rapport aux moteurs traditionnels. Par exemple, pour une voiture électrique ayant une autonomie de 400 kilomètres, cela permet d'ajouter 50 kilomètres, ce qui équivaut à moins de visites à la station de recharge. Le rotor est constitué de fines tôles d'acier empilées et encastrées dans des rainures en V pour fixer les aimants, ce qui réduit le gaspillage d'énergie. En même temps, la conception optimisée rend le poids plus léger et l'accélération plus sensible.
Pour rendre la conduite plus silencieuse, les ingénieurs ont ajusté la disposition des aimants afin de réduire le bourdonnement du moteur lorsqu'il fonctionne, et le bruit ne dépasse pas 40 décibels, ce qui est proche de l'environnement calme d'une salle de séjour. La technologie de fabrication avancée garantit également que les aimants fonctionnent de manière stable à des vitesses ou des températures élevées, avec un taux de défaillance de seulement 0,5%.
Conception du stator
La conception du stator est essentielle pour les performances du PMSM. Le moteur d'entraînement principal des véhicules à énergie nouvelle utilise généralement des enroulements distribués. La distribution de la force électromagnétique est optimisée par des enroulements uniformément répartis, ce qui supprime efficacement les harmoniques et améliore l'efficacité et la qualité de la sortie du couple. Par rapport à un enroulement concentré, la force électromotrice générée par un enroulement distribué est plus proche de l'onde sinusoïdale idéale, avec un bruit électromagnétique plus faible et une plus grande précision de contrôle.
La conception du stator améliore considérablement les performances NVH en optimisant finement la disposition des enroulements et la distribution des forces électromagnétiques. Grâce à une simulation avancée du champ électromagnétique, les harmoniques à haute fréquence peuvent être réduites jusqu'à 30%, ce qui répond aux exigences élevées des consommateurs en matière de conduite silencieuse. La structure compacte du stator peut également s'adapter de manière flexible à diverses topologies de rotor afin de maximiser l'utilisation de l'espace interne du moteur.
Caractéristiques et avantages du PMSM
Rendement et densité de puissance élevés
Le PMSM ne nécessite pas de courant d'excitation du rotor, ce qui élimine les pertes qui y sont liées. Son rendement maximal peut atteindre plus de 95%, ce qui est nettement supérieur aux moteurs asynchrones traditionnels. Son excellente densité de puissance lui permet de produire une plus grande puissance dans le même volume.
Haute performance, faible bruit et grande fiabilité
Le PMSM dispose d'une large plage de régulation de la vitesse à puissance constante et fonctionne en douceur. Grâce à la structure à pôles inclinés et aux mesures d'optimisation NVH, le bruit de fonctionnement peut atteindre 40 décibels ou moins, et les interférences électromagnétiques (EMI) sont minimes. La conception sans balais élimine les étincelles et l'usure des balais, nécessite très peu d'entretien et a une durée de vie de plus de 10 ans.
Conception compacte et flexibilité de contrôle
Le PMSM a une structure compacte, un poids léger, une faible inertie du rotor et une réponse dynamique rapide. Associé à la technologie de contrôle orienté champ (FOC), il peut atteindre un couple élevé et une sortie régulière dans la zone de basse vitesse, ce qui répond parfaitement aux besoins des véhicules à énergie nouvelle en matière de réponse instantanée à l'accélération.
Scénarios d'application
Système de transmission des véhicules à énergie nouvelle
Le PMSM est la source d'énergie principale du système d'entraînement des véhicules à énergie nouvelle. Le moteur PMSM qui équipe la Tesla Model 3 permet une autonomie de plus de 510 kilomètres (WLTP) avec un rendement élevé et une puissance de sortie maximale de 275 chevaux (environ 205 kW). Le moteur IPMSM utilisé dans le BYD Han EV atteint de fortes performances d'accélération et une excellente efficacité énergétique avec une capacité de surcharge à court terme allant jusqu'à 200%.
Machines industrielles et servomoteurs
Dans le domaine industriel, le PMSM assure un positionnement de haute précision et une réponse dynamique rapide pour les broches des machines-outils, les axes d'alimentation et les servocommandes. Les servosystèmes Siemens utilisent largement des moteurs SPMSM à faible inertie dont le temps de réponse ne dépasse pas 1 milliseconde, ce qui les rend idéaux pour les lignes de production automatisées et les machines-outils CNC de précision.
Appareils ménagers, robots et systèmes d'alimentation
Le PMSM a pénétré les appareils électroménagers, les entraînements de robots et les systèmes d'alimentation. Le compresseur PMSM à fréquence variable de la climatisation de Midea peut économiser plus de 30% d'énergie par rapport aux modèles traditionnels ; les moteurs des articulations de robots permettent un contrôle précis et flexible des mouvements avec une faible inertie ; le PMSM est également utilisé pour la correction du facteur de puissance (PFC) des réseaux électriques afin d'améliorer l'efficacité globale de la transmission et de la distribution de l'énergie.
Bilan et perspectives
Les moteurs synchrones à aimant permanent sont devenus des technologies de base dans les véhicules à énergie nouvelle et les domaines industriels haut de gamme grâce à leur excellent rendement, leur densité de couple élevée et leur conception compacte. L'IPMSM domine le marché de la traction des véhicules à énergie nouvelle grâce à sa densité de couple élevée et à sa grande capacité de régulation de la vitesse ; le SPMSM brille dans le domaine des servomoteurs grâce à sa réponse rapide et à ses avantages en termes de coûts. Les progrès constants des onduleurs intelligents et des technologies avancées de contrôle sans capteur continuent de réduire les coûts des systèmes et d'améliorer les performances.
Je me consacre à la rédaction d'articles de vulgarisation scientifique sur les aimants. Mes articles portent principalement sur leurs principes, leurs applications et les anecdotes de l'industrie. Notre objectif est de fournir aux lecteurs des informations précieuses, afin de les aider à mieux comprendre le charme et l'importance des aimants. Par ailleurs, nous sommes impatients de connaître votre avis sur les besoins liés aux aimants. N'hésitez pas à nous suivre et à vous engager avec nous pour explorer ensemble les possibilités infinies des aimants !
