Un Moteur PMSM (Moteur Synchrone à Aimant Permanent) est un type de moteur électrique qui utilise des aimants permanents sur le rotor et fonctionne en synchronisation avec le champ magnétique tournant du stator. Le moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) est un type avancé de moteur électrique à courant alternatif (courant alternatif) qui combine les avantages des moteurs synchrones à courant alternatif et des aimants permanents. Moteurs IPM sont généralement supérieurs en termes de performances, en particulier pour les applications exigeantes, mais les PMSM sont rentables et plus faciles à contrôler pour des besoins plus simples.
Le moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) est composé de deux parties principales : le stator stationnaire et le rotor rotatif.
• Noyau du stator (lamines) : La partie stationnaire du moteur. Il est construit à partir de fines feuilles isolées d'acier au silicium (stratifications) empilées ensemble. Ces tôles réduisent les pertes par courants de Foucault et par hystérésis lorsque le moteur fonctionne en courant alternatif. La circonférence intérieure du noyau du stator comporte des fentes.
• Enroulements du stator : des bobines de cuivre (généralement triphasées) sont placées dans les fentes du noyau du stator. Lorsqu’un courant alternatif circule dans ces enroulements, ils créent un champ magnétique tournant. Les enroulements sont isolés pour éviter les courts-circuits.
• Boîtier/cadre du stator : l'enveloppe extérieure qui maintient le noyau et les enroulements du stator en place, assure la rigidité structurelle et comprend généralement des pieds ou des brides de montage. Il comporte souvent des ailettes ou est conçu pour un refroidissement liquide afin de dissiper la chaleur.
• Noyau du rotor (lamines) : La partie rotative du moteur, également en acier laminé.
• Aimants permanents : c'est la caractéristique déterminante d'un PMSM. Des aimants permanents sont intégrés ou montés sur la surface du noyau du rotor. Ces aimants créent un champ magnétique constant qui interagit avec le champ tournant du stator.
• Aimant permanent de surface (SPMSM) : les aimants sont fixés à la surface extérieure du noyau du rotor. Cette conception est plus simple et offre un entrefer plus uniforme.
• Aimant permanent intérieur (IPMSM) : les aimants sont intégrés à l'intérieur des tôles du noyau du rotor, souvent selon des dispositions en forme de V ou tangentielle. Cette conception offre une robustesse mécanique pour les vitesses élevées et contribue au couple de réluctance, ce qui est bénéfique pour l'affaiblissement du champ et une plage de vitesses plus large.
• Arbre du rotor : L'arbre central auquel le noyau du rotor et les aimants sont fixés. Cet arbre s'étend hors du carter du moteur et se connecte à la charge mécanique.
Il s’agit du petit espace crucial entre la surface intérieure du noyau du stator et la surface extérieure du rotor. Le champ magnétique traverse cet entrefer, facilitant l’interaction entre les champs magnétiques du stator et du rotor. La taille de l'entrefer influence considérablement les caractéristiques de performance du moteur.
Situé aux deux extrémités de l'arbre du rotor, à l'intérieur des flasques. Les roulements permettent au rotor de tourner en douceur avec un minimum de friction et supportent les charges mécaniques de l'arbre.
Il s'agit de couvercles situés à chaque extrémité du carter du moteur qui renferment les composants internes et permettent le montage des roulements.
Bien qu'il ne soit pas toujours intégré au cœur physique du moteur, un capteur de position est presque toujours couplé mécaniquement à l'arbre du rotor (souvent à l'extrémité opposée à l'entraînement). Ce capteur fournit des informations précises sur la position angulaire exacte du rotor au système de commande électronique du moteur (variateur de fréquence ou inverseur), ce qui est essentiel pour une commutation précise et un fonctionnement efficace à l'aide d'algorithmes tels que le contrôle orienté champ (FOC).
Champ magnétique du stator : Le stator, qui est la partie fixe du moteur, possède des enroulements triphasés (semblables à un moteur à induction). Lorsqu’une alimentation CA triphasée est appliquée à ces enroulements, elle crée un champ magnétique tournant.
Aimants permanents du rotor : Le rotor contient des aimants permanents (souvent constitués de matériaux de terres rares comme le néodyme) qui créent un champ magnétique puissant et constant.
Interaction magnétique et synchronisation :Les pôles magnétiques permanents du rotor sont fortement attirés et repoussés par les pôles magnétiques rotatifs du champ du stator. Cette « traction » magnétique provoque le « verrouillage » du rotor et sa rotation exactement à la même vitesse synchrone que le champ magnétique du stator.
Système de contrôle : Pour obtenir un contrôle précis de la vitesse et du couple, les PMSM nécessitent généralement un système de contrôle électronique sophistiqué, le plus souvent un contrôle orienté champ (FOC) ou un contrôle vectoriel. Ce système contrôle avec précision la phase et l'amplitude du courant alternatif fourni aux enroulements du stator pour garantir une rotation fluide, un rendement élevé et des performances dynamiques.
| Caractéristique | PMSM (monté en surface) | IPM (Aimant Permanent Intérieur) |
|---|---|---|
| Placement de l'aimant | Sur la surface du rotor | Intégré à l'intérieur du rotor |
| Performances de couple | Couple modéré | Couple plus élevé en raison du couple de réluctance |
| Capacité d'affaiblissement du champ | Limité | Excellent (meilleur à haute vitesse) |
| Coût | Généralement inférieur | Plus élevé en raison d'une conception complexe |
| Efficacité | Élevé à vitesse constante | Plus élevé sur une plage de vitesse plus large |
| Stabilité thermique | Inférieur | Meilleur refroidissement, donc plus grande stabilité |
| Complexité du contrôle | Plus facile à contrôler | Nécessite un contrôle plus avancé |
Véhicules électriques (VE) et véhicules électriques hybrides (HEV)
La technologie moteur dominante dans de nombreux véhicules électriques modernes en raison de leur efficacité et de leur densité de puissance.
Robotique
Pour un contrôle de mouvement précis et des rapports couple/inertie élevés.
Automatisation industrielle
Systèmes de convoyeurs, machines-outils, servomoteurs, pompes, ventilateurs et soufflantes où l'efficacité énergétique et un contrôle précis sont essentiels.
Systèmes CVC
Compresseurs et ventilateurs à haut rendement.
Ascenseurs et escaliers mécaniques
Pour un fonctionnement fluide et efficace, souvent dans des configurations sans engrenage.
Énergie renouvelable
Éoliennes (en tant que générateurs) et autres systèmes de production distribuée.
Machines à laver (entraînement direct)
Permettant un fonctionnement plus efficace et plus silencieux sans courroies.
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