Les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) à vitesse régulée sont largement utilisés dans l'automatisation industrielle, les véhicules électriques, les ascenseurs et d'autres domaines en raison de leur rendement élevé, de leur densité de puissance et de leurs excellentes performances dynamiques. Dans ce contexte, l'analyse des caractéristiques de densité de flux magnétique du moteur est particulièrement importante, car les niveaux de saturation de densité de flux dentaire (B_t) et densité de flux de culasse (B_y) affectent directement les performances et la fiabilité du moteur.
PMSM à vitesse régulée se composent généralement d’un rotor, d’un stator et d’enroulements. Le rotor est doté d'aimants permanents et le champ magnétique tournant interagit avec le courant dans les enroulements du stator pour entraîner le moteur. L’une des caractéristiques clés des PMSM est que leur vitesse est proportionnelle à la fréquence actuelle et qu’ils présentent un facteur de puissance élevé avec des pertes minimes.
Dans les PMSM, la densité de flux dentaire (B_t) fait référence à la densité de flux magnétique dans les dents du stator, tandis que la densité de flux de la culasse (B_y) fait référence à la densité de flux dans la région de la culasse. Les deux influencent considérablement les performances de sortie, les vibrations, le bruit et le facteur de puissance du moteur.
La saturation magnétique se produit lorsqu'un matériau magnétique atteint une certaine densité de flux, au-delà de laquelle une augmentation supplémentaire de l'intensité du champ magnétique n'augmente pas significativement la densité de flux. La saturation affecte non seulement les performances magnétiques du moteur, mais réduit également l'efficacité et augmente l'échauffement.
La saturation dans la région dentaire entraîne souvent des modifications non linéaires du couple de sortie. Une fois la saturation survenue, la relation entre le couple et le courant s'écarte considérablement de l'état idéal, en particulier dans des conditions de charge élevée, ce qui peut provoquer une surchauffe et des dommages au moteur.
La saturation dans la région de la culasse déforme la distribution du champ magnétique environnant, augmentant les pertes de flux et affectant négativement les performances de démarrage et la réponse dynamique du moteur.
Le logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) peut analyser efficacement la distribution de la densité de flux dans différentes conditions de fonctionnement. En simulant le champ électromagnétique dans différents états, les niveaux de saturation des dents et de l'arcade peuvent être évalués avec précision.
Les mesures expérimentales des caractéristiques de courant, de couple et de vitesse sous différentes charges et vitesses peuvent révéler une saturation. Si le couple ne répond pas aux attentes théoriques pour une densité de courant donnée, la saturation peut en être la cause.
L'analyse de la réponse haute fréquence peut révéler un comportement non linéaire sous des charges changeant rapidement, indiquant indirectement le degré de saturation dans les régions des dents et de la chape.
La sélection des matériaux appropriés et l’optimisation de la conception structurelle pendant la phase de développement du moteur peuvent réduire efficacement les risques de saturation. L’utilisation de matériaux à haute coercivité et l’optimisation de la géométrie du rotor peuvent améliorer les limites de saturation.
Des algorithmes de contrôle avancés, tels que le contrôle vectoriel ou le contrôle direct du couple, peuvent aider à atténuer les effets négatifs de la saturation.
La surveillance et l'ajustement en temps réel de la charge et des conditions de fonctionnement peuvent empêcher le moteur d'entrer dans des zones de saturation pendant le fonctionnement.
L’évaluation de la saturation de la densité de flux des dents et de la culasse est cruciale pour améliorer les performances et la fiabilité des PMSM à vitesse régulée. Les simulations numériques, les tests expérimentaux et l'analyse de la réponse haute fréquence fournissent des moyens efficaces pour évaluer et optimiser les caractéristiques magnétiques. La combinaison des améliorations de conception, des stratégies de contrôle et de la surveillance en temps réel garantit une minimisation des effets indésirables de la saturation, améliorant ainsi les performances globales du moteur.
