PMSM efektivitātes palielināšana: Rotora magnētu komplektu rokasgrāmata

Pastāvīgo magnētu sinhronajiem motoriem (PMSM) rotora magnētu komplekta konfigurācija tieši ietekmē griezes momenta pulsāciju, atpakaļ{0}}EMF viļņu formu un kopējo efektivitāti. Uz virsmas-montēti pastāvīgā magnēta (SPM) rotori nodrošina lielāku gaisa spraugas plūsmas blīvumu, taču tiem ir magnētiska noplūde pie liela ātruma, savukārt iekšējie pastāvīgā magnēta (IPM) rotori nodrošina mehānisku izturību un pretestības griezes momenta ieguldījumu, taču tiem ir nepieciešams precīzs magnēta novietojums, lai izvairītos no plūsmas atcelšanas. Nepareizas rotora arhitektūras vai magnēta orientācijas izvēle parastos rūpnieciskos piedziņas lietojumos samazina motora efektivitāti par 5–12%. Šajā inženierijas rokasgrāmatā ir salīdzinātas SPM un IPM konstrukcijas, izskaidrota magnetizācijas virziena ietekme uz griezes momenta izvadi un parādīts, kā FEA optimizē polu soli.

SPM rotoriem ir magnēti, kas piestiprināti vai noturēti uz rotora ārējā apkārtmēra. Šis dizains piedāvā lielu efektīvo gaisa spraugas laukumu, radot augstu magnētisko plūsmu uz vienu magnēta tilpumu. SPM ir priekšroka liela-griezes momenta blīvuma lietojumiem, piemēram, servomotoriem un tiešās-piedziņas vēja turbīnām. Tomēr centrbēdzes spēks pie lieliem apgriezieniem minūtē (virs 10 000 apgr./min.) var atdalīt virsmas magnētus, ja vien netiek uzliktas oglekļa šķiedras uzmavas vai Inconel fiksācijas gredzeni.

IPM rotori iestrādā magnētus rotora laminēšanas kaudzē. Magnēti ir mehāniski aizsargāti no centrbēdzes spēkiem, tāpēc IPM ir piemērots ātrgaitas vilces motoriem (15 000-20 000 apgr./min.). Turklāt rotora dzelzs starp magnētiem rada pretestības griezes momentu Ld un Lq induktivitātes atšķirību dēļ, uzlabojot kopējo griezes momentu par 20-35%, salīdzinot ar tāda paša magnēta tilpuma SPM. Kompromiss: IPM montāža ir sarežģītāka, un tai ir nepieciešama precīza spraugu aizpildīšana un epoksīda impregnēšana, lai novērstu magnēta kustību termiskās cikla laikā.

Magnētiskā noplūde samazina efektīvo plūsmu, kas šķērso gaisa spraugu. SPM rotoros noplūde galvenokārt notiek caur rotora aizmugurējo dzelzi, ja magnēta-at{2}}aizmugure-attālums ir pārāk mazs. Lai noplūde būtu mazāka par 5% no kopējās plūsmas, 50 mm rotora diametram ir raksturīgs minimālais aizmugurējā dzelzs biezums 5–8 mm.

IPM rotoros noplūdes ceļi ir sarežģītāki: plūsma var izveidot īssavienojumu starp blakus esošajiem magnētu spraugām, izmantojot rotora tiltus. Tilta biezums ir jāoptimizē: tiltam, kas ir plānāks par 1,5 mm 30 mm skurstei, pastāv mehānisks lūzums, bet tilts, kas biezāks par 2,5 mm, palielina noplūdi par 10-15%. Lai atrastu līdzsvaru, ir nepieciešama FEA simulācija. Mūsu standarta IPM konstrukcijas mērķis ir noplūdes koeficients (σ) 1,2–1,3.

Magnetizācijas virziens attiecībā pret rotora virsmu nosaka plūsmas ceļu. SPM rotoriem radiālā magnetizācija (magnētiskais vektors, kas vērsts uz āru gar rotora rādiusu) ir standarta, radot sinusoidālu atpakaļ-EMF. Tomēr paralēlā magnetizācija (visi vektori ir paralēli viens otram) rada trapecveida plūsmas sadalījumu, kas palielina griezes momenta pulsāciju par 8-12%, bet var uzlabot maksimālo griezes momentu par 5-7% nesinusoidālos piedziņās.

IPM rotoriem magnetizācijas virziens var būt paralēls q-asij (plūsmas barjeras izlīdzināšana) vai V-forma ar 20-30 grādu leņķi. V-formas IPM rotori ar 120–130 grādu magnēta leņķi nodrošina vislielāko pretestības griezes momenta ieguldījumu, uzlabojot efektivitāti pie daļējas slodzes. Daudzpolu magnetizācija (8 polu, 12 polu, 16 polu) samazina statora jūga biezumu, bet palielina magnēta montāžas sarežģītību. Noteiktam rāmja izmēram polu skaita palielināšana no 8 līdz 16 samazina aizmugurējās dzelzs svaru par aptuveni 30%, taču nepieciešamas par 0,2–0,3 mm stingrākas montāžas pielaides.

Pola solis (katra magnēta leņķiskais platums attiecībā pret pola loku) nosaka plūsmas sadalījuma formu. Pārāk plats polu solis samazina atstarpi starp blakus esošajiem stabiem, palielinot plūsmas noplūdi. Pārāk šaurs pola solis samazina kopējo plūsmu. Optimālais polu solis uz virsmas-montētiem NdFeB magnētiem parasti ir 70–80% no pola loka.

Izmantojot galīgo elementu analīzes (FEA) magnētisko simulāciju, mēs novērtējam:

Plūsmas blīvums pie nominālās slodzes pret pārslodzi (2x strāva)

Demagnetizācijas risks pie maksimālās temperatūras (izmantojot Hcj samazināšanu)

Griezes momenta amplitūda (mērķis < 3% no nominālā griezes momenta servomotoriem)

Mēs klientiem sniedzam FEA pārskatus, tostarp plūsmas līniju diagrammas, gaisa spraugas plūsmas blīvuma harmonikas (FFT analīzi) un griezes momenta{0}}leņķa līknes. Šie dati ļauj motoru ražotājiem pabeigt statora tinumu un laminēšanas konstrukciju pirms instrumentu apstrādes.

PMSM rotoru ražotājiem, kuriem nepieciešama pielāgotas magnētu formas (loka segmenti, trapecveida bloki) vai pilni magnētu komplekti ar līmes iepriekšēju-uzklāšanu, lūdzu, skatiet mūsu vietnes lapu Rotora magnētu komplekts. Mēs atbalstām magnetizācijas modeļus, tostarp sinusoidālo, Halbaha un segmentēto šķībumu, lai samazinātu griezes momenta pulsāciju.

Lai apspriestu sava motora specifikācijas, tostarp nominālo ātrumu, apkārtējās vides temperatūru un mērķa efektivitātes klasi (IE4/IE5), sazinieties ar mūsu tehnisko komandu. Mēs nodrošinām pakāpes izvēli (N35UH, N42SH, N48H) un FEA atmagnetizācijas validāciju.

J: Kā izvēlēties starp SPM un IPM rotoru dizainu 10 kW rūpnieciskajam servomotoram?
A. Apgriezieniem, kas mazāki par 6000 apgr./min, un ar zemu griezes momenta pulsācijas prasību, SPM ar N42SH magnētiem ir rentabls. Ātrumam virs 8000 apgr./min vai plašam nemainīgas jaudas diapazonam izvēlieties IPM ar N35UH magnētiem, lai izvairītos no magnēta liela ātruma{6}}atslāņošanās.

J: Kāda ir tipiskā magnēta biezuma variācija, kas pieļaujama PMSM rotora komplektā?
A: Biezuma pielaide: ±0,05 mm SPM segmentiem, ±0,03 mm IPM ieliktņiem. Lielākas variācijas izraisa gaisa spraugas asimetriju, palielinot nelīdzsvarotu magnētisko vilkmi un vibrāciju.

J: Vai varat piegādāt magnētu komplektus ar epoksīda pārklājumu IPM rotoru aizsardzībai pret koroziju?
A: Jā. Katram magnētam mēs uzklājam Ni-Cu-Ni (10-20μm) vai epoksīdu (20-40μm). IPM rotoriem epoksīda pārklājums ar 100-200 μm biezumu uz magnēta malām uzlabo spraugu aizpildīšanu un novērš vadītspējīgu kontaktu starp magnētu un laminēšanu.