Structure et principe des générateurs à aimants permanents

1. Structure générale

UN aimant permanent générateur synchrone Il se compose de deux parties principales : le stator et le rotor. Le stator désigne la partie fixe pendant le fonctionnement du générateur ; il est principalement constitué de tôles d’acier au silicium, d’enroulements d’induit triphasés symétriques connectés en étoile et répartis dans les encoches du stator avec un déphasage de 120° entre les phases, d’un carter qui maintient le noyau de fer et de couvercles d’extrémité. Le rotor désigne la partie tournante pendant le fonctionnement du générateur. fonctionnement du générateur Un générateur synchrone à aimants permanents est généralement composé d'un noyau de rotor, d'aimants permanents en acier, d'anneaux de retenue et d'un arbre de rotor. Les matériaux des aimants permanents, notamment ceux à base de cobalt, présentent une faible résistance à la traction et sont durs et cassants. En l'absence de protection du rotor, lorsque le diamètre du rotor est important ou que le générateur fonctionne à haute vitesse, la force centrifuge exercée sur sa surface peut atteindre, voire dépasser, la résistance à la traction des aimants permanents, risquant ainsi de les endommager. C'est pourquoi les générateurs synchrones à aimants permanents à haute vitesse utilisent souvent une structure de rotor à anneaux de retenue. Cette structure consiste en un anneau cylindrique à paroi mince, en métal haute résistance, ajusté avec précision autour de la circonférence extérieure ou intérieure du rotor. Cet anneau de retenue maintient les pièces polaires en acier et en fer doux des aimants permanents dans leurs positions respectives sur le rotor. De ce fait, le rotor du générateur synchrone à aimants permanents se comporte comme un bloc monobloc, garantissant sa fiabilité en fonctionnement à haute vitesse.

2. Structure du circuit magnétique du rotor

Les caractéristiques structurelles des générateurs synchrones à aimants permanents se manifestent principalement au niveau du rotor. Généralement, selon la relation entre la direction d'aimantation des aimants permanents et le sens de rotation du rotor, on distingue les générateurs à aimants tangentiels et les générateurs à aimants radiaux, entre autres.

(1) Structure du circuit magnétique à rotor tangentiel
Dans la structure du circuit magnétique du rotor tangentiel, la direction d'aimantation du rotor est quasi perpendiculaire à l'axe du flux d'entrefer et plus éloignée de celui-ci, ce qui entraîne des fuites de flux magnétique relativement importantes. Cependant, les aimants permanents fonctionnent en parallèle, deux sections transversales d'aimant permanent fournissant un flux magnétique par pôle à l'entrefer, ce qui permet d'accroître la densité de flux dans l'entrefer. Cet avantage est particulièrement marqué pour les générateurs comportant un grand nombre de pôles. Par conséquent, le type tangentiel convient aux générateurs synchrones à aimants permanents nécessitant un grand nombre de pôles et une forte densité de flux d'entrefer. La fixation des aimants permanents et des pièces polaires est assurée par un anneau de retenue, comme illustré sur la figure 1(a).

(2) Structure du circuit magnétique à rotor radial
La structure du circuit magnétique du rotor radial est illustrée sur la figure 1(b). L'orientation de l'aimantation des aimants permanents est alignée avec l'axe du flux magnétique de l'entrefer et proche de celui-ci. Dans le circuit magnétique d'une paire de pôles, deux aimants permanents, montés en série, génèrent la force magnétomotrice. La section de chaque aimant permanent produit le flux magnétique par pôle du générateur, et la force magnétomotrice de chaque aimant permanent génère la force magnétomotrice d'un pôle du générateur.

Figure 1 : Schéma des structures du circuit magnétique du rotor d'un générateur à aimant permanent

Comparée à la structure à rotor tangentiel, la structure à rotor radial présente un coefficient de fuite de flux magnétique plus faible. Dans cette structure, les aimants permanents étant directement orientés vers l'entrefer et leur champ magnétique étant aligné, la densité de flux magnétique dans l'entrefer Bδ est proche de la densité de flux magnétique Bm au point de fonctionnement des aimants permanents, ce qui améliore le rendement de ces derniers. Les aimants permanents de la structure à rotor radial peuvent être directement moulés ou collés sur l'arbre du générateur, ce qui simplifie la structure et le processus de fabrication. Le moulage en alliage d'aluminium entre les pôles assure l'intégrité de la structure du rotor et procure un effet d'amortissement, améliorant ainsi les performances transitoires du générateur et la résistance à la démagnétisation des aimants permanents.

(3) Structure intégrée du rotor

Actuellement, dans les groupes électrogènes traditionnels, le moteur et l'alternateur sont relativement indépendants. Le vilebrequin du moteur possède deux extrémités, situées à l'avant et à l'arrière du moteur ; l'extrémité avant est équipée d'un volant d'inertie et d'un lanceur externe ; l'extrémité arrière sert de transmission de sortie, généralement utilisée pour le raccordement à l'alternateur. groupes électrogènes à grande vitesse Le générateur produit non seulement de l'énergie électrique, mais, grâce au calcul du moment d'inertie, il garantit également que le moment d'inertie de son rotor est égal à celui du volant moteur. Son rotor remplace ainsi le volant moteur et devient partie intégrante de ce dernier. On obtient alors un générateur haute vitesse intégré à une structure embarquée. Ceci réduit considérablement les dimensions axiales et le poids de l'unité, tout en séparant les zones chaudes et froides du groupe électrogène. Il en résulte une dissipation thermique facilitée et une fiabilité accrue du système.