Moteurs d'entraînement PMSM Pumbaa 350 kW pour véhicules électriques PML350

1. Moteur à fil plat
• Le bobinage du moteur passe progressivement d'un fil rond à un fil plat, avec un taux de remplissage des encoches élevé, des extrémités courtes, une densité de puissance élevée et une forte capacité de dissipation thermique.

2. Conception de l'isolation haute tension
• Le moteur utilise de nouveaux matériaux et procédés d'isolation pour répondre aux exigences de fréquence de commutation élevée des contrôleurs SiC destinés aux moteurs à vitesse toujours plus élevée.

•3. Roulements isolés haute vitesse et robustes
• La conception du moteur utilise des roulements isolés, capables de répondre aux exigences de conception de 24 000 tr/min ; et elle permet d’inhiber efficacement la corrosion électrique des roulements.

4. Moteur refroidi par huile
• Le moteur adopte une structure à refroidissement par huile à haute vitesse, ce qui permet de réduire efficacement la puissance nominale grâce à la réduction du volume, améliorant ainsi non seulement le rendement, mais aussi la durée de vie du système.

5. Excellentes performances NVH
• Le rotor du moteur adopte une structure à pôles inclinés segmentés, ce qui optimise efficacement le NVH (bruit, vibrations et dureté) du système moteur.

Le moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) est un moteur à aimants permanents largement utilisé dans les véhicules électriques (VE). Avec un rendement supérieur de 15 % à celui des moteurs à induction (MI) et la plus forte densité de puissance parmi les moteurs de traction, il est devenu un élément fondamental des systèmes de propulsion modernes des VE.

1. Qu'est-ce qu'un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) ?

Le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM), un type de moteur à courant alternatif, génère son champ magnétique grâce à des aimants permanents qui produisent des forces contre-électromotrices sinusoïdales. Bien qu'il partage la même structure de stator et de rotor que les moteurs à induction, le rotor du PMSM utilise des aimants permanents (PM) au lieu d'enroulements d'excitation pour générer son champ magnétique, ce qui lui vaut l'appellation alternative de « moteur triphasé sans balais à aimants permanents et à onde sinusoïdale ».
Comparativement aux moteurs traditionnels, les moteurs PMSM excellent en termes d'efficacité, de conception sans balais, de vitesse de rotation élevée, de sécurité et de performances dynamiques. Ils délivrent un couple régulier et silencieux, ce qui les rend idéaux pour les applications à grande vitesse telles que la robotique. Moteurs synchrones triphasés à courant alternatif, ils fonctionnent en synchronisation avec des alimentations externes à courant alternatif.

Les moteurs PMSM sont dépourvus d'enroulements rotoriques ; ce sont des aimants permanents qui génèrent directement le champ magnétique tournant. Ceci élimine le besoin d'une excitation en courant continu, simplifiant leur structure et réduisant les coûts. Leurs principaux composants comprennent un stator (avec des enroulements triphasés) et un rotor (avec des aimants permanents). L'alimentation du stator en courant alternatif triphasé déclenche leur fonctionnement.

Le fonctionnement d'un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) est similaire à celui d'un moteur synchrone : il repose sur un champ magnétique tournant (CMT) pour induire une force électromotrice à la vitesse synchrone. Lorsqu'un courant alternatif triphasé est appliqué aux enroulements du stator, un CMT se forme dans l'entrefer. La rotation synchrone des aimants permanents du rotor avec ce CMT génère un couple. Il est important de noter que les PMSM ne sont pas auto-démarrables et nécessitent une alimentation électrique à fréquence variable pour fonctionner.

2. Structure des moteurs PMSM

Stator : À l'instar des moteurs à induction AC classiques, le stator du PMSM est alimenté par ses enroulements. Ces enroulements sont généralement répartis sur plusieurs encoches selon une configuration quasi sinusoïdale afin de produire une force contre-électromotrice (FCEM) sinusoïdale.

Rotor: La conception du rotor distingue le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) des moteurs synchrones classiques. Au lieu d'enroulements d'excitation, le rotor utilise des aimants permanents pour générer ses pôles magnétiques. Les matériaux couramment utilisés pour les aimants permanents comprennent le samarium-cobalt et le néodyme-fer-bore (NdFeB), appréciés pour leur perméabilité élevée et leur rapport coût-efficacité. Les PMSM sont classés selon l'emplacement des aimants permanents :

·Moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) monté en surface : les aimants permanents sont collés à la surface du rotor.

• Moteur PMSM interne (IPM) : les aimants permanents sont intégrés à l’intérieur du rotor. Les moteurs IPM offrent un rendement nettement supérieur.

(PMSM)

3. Principes de commande des moteurs PMSM

Les variateurs PMSM utilisent la technologie de commande vectorielle classique, permettant une régulation de vitesse en boucle fermée pour une précision optimale. Ce système en boucle fermée exploite la rétroaction de vitesse pour suivre la position du rotor en temps réel, assurant une régulation de vitesse continue, y compris le couple maximal à l'arrêt.

Un capteur de position (par exemple, un codeur ou un résolveur) est monté sur l'arbre du rotor pour détecter sa position. À partir des paramètres du moteur et des mesures de courant (traitées par un processeur de signal numérique, DSP) haute vitesse, le variateur calcule la position du rotor. À chaque intervalle d'échantillonnage, le système triphasé est converti en un système à deux coordonnées tournantes, où les courants sont décomposés en composantes directe (d) et en quadrature (q) pour une commande indépendante.

S'appuyant sur des stratégies de commande vectorielle, le variateur génère des composantes de courant de référence dq alignées sur le couple cible. Ces références servent ensuite à produire les signaux de commande de grille pour l'onduleur. Son principal avantage réside dans sa réponse dynamique rapide : les effets de couplage entre le couple et le flux sont gérés par une commande de découplage (orientation du flux statorique), permettant ainsi une régulation indépendante du couple et du flux. Toutefois, cette complexité de calcul élevée exige du variateur l'utilisation d'un processeur rapide ou d'un DSP.

4. Avantages et inconvénients du PMSM

Avantages:

• Forte capacité de surcharge ; la densité de puissance dépasse largement celle des moteurs à induction.

• Rendement supérieur (15 % supérieur à celui des moteurs à induction) et taille réduite (1/3 du volume des moteurs conventionnels), simplifiant l'installation et la maintenance.

·Délivre un couple maximal à bas régime.

• Pertes de cuivre du rotor négligeables (pas d'excitation du champ via le courant du stator), réduisant la génération de chaleur et prolongeant la durée de vie.

La conception sans balais élimine les commutateurs mécaniques, minimisant ainsi la friction, l'usure et les coûts d'entretien tout en évitant les risques d'étincelles dans les environnements difficiles.

• Un facteur de puissance élevé améliore l'efficacité globale du système et réduit la tension de ligne/de chute de tension.

• Couple de sortie régulier et excellentes performances dynamiques.

Inconvénients :

• Coût plus élevé que celui des moteurs à induction.

• Ne démarre pas automatiquement ; nécessite une alimentation électrique à fréquence variable pour le démarrage.

Des systèmes de contrôle complexes sont nécessaires pour gérer les courants du stator.

(Moteur en fonctionnement)

Conclusion

Le moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) s'est imposé comme une technologie clé des systèmes de propulsion des véhicules électriques, grâce à son rendement inégalé, sa forte densité de puissance et ses performances dynamiques supérieures. L'élimination des enroulements d'excitation et des balais par l'excitation à aimants permanents permet de réduire les pertes et d'améliorer la fiabilité. Parallèlement, la technologie de commande vectorielle assure une régulation indépendante du couple et du flux, offrant des avantages essentiels tels qu'un couple maximal à l'arrêt et une réponse rapide.

Malgré les défis que représentent les moteurs PMSM (coûts plus élevés, absence d'auto-démarrage et systèmes de commande complexes), leur domination dans les véhicules électriques demeure incontestable. Leur rendement (15 % supérieur à celui des moteurs à induction), leur compacité (un tiers du volume des moteurs traditionnels) et le maintien du couple à bas régime les rendent indispensables pour les véhicules électriques hautes performances et à grande autonomie.

Avec la généralisation des progrès réalisés dans le domaine des matériaux à base de terres rares (par exemple, le NdFeB N52), des algorithmes de contrôle pilotés par l'IA (par exemple, le contrôle prédictif par modèle) et des plateformes haute tension de 800 V, les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) continueront d'évoluer, optimisant ainsi les coûts, les performances et la durabilité. À l'avenir, les PMSM consolideront leur rôle de « cœur énergétique » des véhicules électriques, stimulant l'innovation industrielle et contribuant aux objectifs mondiaux de neutralité carbone.