L'effet des contraintes du noyau de fer sur les performances deMoteurs à aimant permanent
Le développement rapide de l'économie a accentué la professionnalisation du secteur des moteurs à aimants permanents, imposant des exigences accrues en matière de performances, de normes techniques et de stabilité de fonctionnement. Afin d'étendre leur champ d'application, les moteurs à aimants permanents doivent impérativement améliorer leurs performances globales, permettant ainsi d'atteindre un niveau supérieur de qualité et de performance.
Dans les moteurs à aimants permanents, le noyau de fer est un composant essentiel. Le choix du matériau du noyau doit impérativement prendre en compte sa conductivité magnétique, afin de s'assurer qu'elle réponde aux exigences de fonctionnement du moteur. Généralement, l'acier électrique est privilégié pour le noyau des moteurs à aimants permanents, principalement en raison de sa bonne conductivité magnétique.
Le choix des matériaux du noyau moteur a un impact crucial sur les performances globales et la maîtrise des coûts des moteurs à aimants permanents. Lors de la fabrication, de l'assemblage et du fonctionnement de ces moteurs, des contraintes se forment dans le noyau. Or, ces contraintes affectent directement la conductivité magnétique de la tôle d'acier électrique, entraînant une diminution de cette conductivité. Il en résulte une baisse des performances du moteur et une augmentation des pertes.
Dans la conception et la fabrication des moteurs à aimants permanents, les exigences relatives au choix et à l'utilisation des matériaux sont de plus en plus strictes, atteignant presque les limites des normes et des performances attendues. L'acier électrique, matériau de base de ces moteurs, doit répondre à des exigences de précision très élevées en matière de technologies d'application et de calcul précis des pertes fer afin de satisfaire aux besoins réels.
La méthode traditionnelle de conception des moteurs, utilisée pour calculer les caractéristiques électromagnétiques de l'acier électrique, est manifestement imprécise, car elle est principalement basée sur des conditions conventionnelles. Les résultats de calcul présentent alors des écarts importants. Par conséquent, une nouvelle méthode de calcul est nécessaire pour déterminer avec précision la conductivité magnétique et les pertes fer de l'acier électrique sous contrainte, afin d'améliorer l'utilisation des matériaux pour noyaux de fer et d'optimiser les performances, notamment le rendement des moteurs à aimants permanents.
Zheng Yong et ses collègues chercheurs se sont intéressés à l'influence des contraintes dans le noyau sur les performances des moteurs à aimants permanents. Ils ont combiné analyses expérimentales et techniques pour explorer les mécanismes sous contrainte des propriétés magnétiques et des pertes fer des matériaux du noyau. En fonctionnement, les contraintes dans le noyau de fer d'un moteur à aimants permanents sont influencées par diverses sources, chacune présentant des propriétés très différentes.
Du point de vue des contraintes subies par le noyau du stator des moteurs à aimants permanents, leur formation est due à divers procédés tels que le poinçonnage, le rivetage, le laminage et l'assemblage par serrage du carter. L'effet de contrainte induit par cet assemblage est prépondérant. Concernant le rotor, les principales sources de contraintes sont les contraintes thermiques, la force centrifuge et les forces électromagnétiques. Comparé aux moteurs classiques, le moteur à aimants permanents fonctionne à une vitesse nominale relativement élevée et intègre une structure d'isolation magnétique au niveau du noyau du rotor.
Par conséquent, la contrainte centrifuge est la principale source de contrainte. La contrainte dans le noyau du stator, générée par l'assemblage serré du carter du moteur à aimant permanent, est principalement une contrainte de compression. Son point d'application se concentre au niveau de la culasse du noyau du stator, et sa direction est tangentielle circonférentielle. La contrainte due à la force centrifuge du rotor du moteur à aimant permanent est une contrainte de traction, qui s'exerce presque exclusivement sur le noyau de fer du rotor. La contrainte centrifuge maximale s'exerce à l'intersection du pont d'isolation magnétique du rotor et de la nervure de renfort, ce qui favorise la dégradation des performances dans cette zone.
L'influence des contraintes du noyau de fer sur le champ magnétique des moteurs à aimants permanents
L'analyse des variations de densité magnétique des composants clés des moteurs à aimants permanents a révélé que, sous l'effet de la saturation, la densité magnétique des nervures de renforcement et des ponts d'isolation magnétique du rotor ne subit aucune variation significative. En revanche, la densité magnétique du stator et du circuit magnétique principal du moteur varie considérablement. Ceci permet également d'expliquer l'influence des contraintes dans le noyau sur la distribution de la densité magnétique et la conductivité magnétique du moteur en fonctionnement.
L'effet du stress sur la perte de noyau
En raison des contraintes mécaniques, la contrainte de compression au niveau de la culasse du stator du moteur à aimant permanent se concentre, entraînant des pertes importantes et une dégradation des performances. Les pertes fer sont significatives au niveau de la culasse du stator, notamment à la jonction entre les dents du stator et la culasse, où elles augmentent le plus sous l'effet des contraintes. Des recherches ont montré, par le calcul, que les pertes fer des moteurs à aimant permanent augmentent de 40 à 50 % sous l'effet des contraintes de traction, ce qui est considérable et contribue à une augmentation significative des pertes totales. L'analyse révèle également que les pertes fer constituent la principale source de pertes du moteur, dues à l'influence des contraintes de compression sur la formation du noyau de fer du stator. Concernant le rotor, lorsque le noyau de fer est soumis à une contrainte de traction centrifuge en fonctionnement, les pertes fer ne sont pas augmentées, mais le moteur présente même un certain avantage.
L'effet de la contrainte sur l'inductance et le couple
Sous l'effet des contraintes, les performances d'induction magnétique du noyau de fer du moteur se dégradent, entraînant une diminution de l'inductance de l'arbre. Plus précisément, l'analyse du circuit magnétique d'un moteur à aimant permanent révèle que celui-ci comprend principalement trois parties : l'entrefer, l'aimant permanent et le noyau de fer du stator et du rotor. L'aimant permanent est l'élément le plus important. De ce fait, une variation des performances d'induction magnétique du noyau de fer d'un moteur à aimant permanent n'induit que des variations négligeables de l'inductance de l'arbre.
La partie du circuit magnétique de l'arbre, composée de l'entrefer et du noyau statorique d'un moteur à aimant permanent, est beaucoup plus petite que la résistance magnétique de l'aimant permanent. En tenant compte de l'influence des contraintes dans le noyau, les performances d'induction magnétique se dégradent et l'inductance de l'arbre diminue significativement. Il convient d'analyser l'impact des contraintes sur les propriétés magnétiques du noyau de fer d'un moteur à aimant permanent. La diminution des performances d'induction magnétique du noyau entraîne une réduction du couplage magnétique du moteur et, par conséquent, une diminution du couple électromagnétique.
Date de publication : 7 août 2023
