Μεγιστοποίηση της απόδοσης PMSM: Ένας οδηγός για τις συναρμολογήσεις μαγνητών ρότορα

Για σύγχρονους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (PMSM), η διαμόρφωση του συγκροτήματος μαγνήτη ρότορα επηρεάζει άμεσα τον κυματισμό της ροπής, την πίσω-κυματομορφή EMF και τη συνολική απόδοση. Οι επιφανειακοί ρότορες μόνιμου μαγνήτη (SPM) παρέχουν υψηλότερη πυκνότητα ροής διακένου αέρα, αλλά υποφέρουν από μαγνητική διαρροή σε υψηλές ταχύτητες, ενώ οι ρότορες εσωτερικού μόνιμου μαγνήτη (IPM) παρέχουν μηχανική στιβαρότητα και συνεισφορά ροπής απροθυμίας, αλλά απαιτούν ακριβή τοποθέτηση μαγνήτη για να αποφευχθεί η ακύρωση ροής. Η επιλογή της λανθασμένης αρχιτεκτονικής ρότορα ή προσανατολισμού μαγνήτη μειώνει την απόδοση του κινητήρα κατά 5-12% σε τυπικές εφαρμογές βιομηχανικής μετάδοσης κίνησης. Ο ακόλουθος οδηγός μηχανικής συγκρίνει σχέδια SPM με IPM, εξηγεί τα αποτελέσματα της κατεύθυνσης μαγνήτισης στην έξοδο ροπής και δείχνει πώς η FEA βελτιστοποιεί το βήμα του πόλου.

Οι ρότορες SPM έχουν μαγνήτες συνδεδεμένους ή συγκρατούμενους στην εξωτερική περιφέρεια του δρομέα. Αυτός ο σχεδιασμός προσφέρει μια μεγάλη αποτελεσματική περιοχή κενού αέρα, παράγοντας υψηλή μαγνητική ροή ανά όγκο μαγνήτη. Το SPM προτιμάται για εφαρμογές υψηλής-πυκνότητας ροπής, όπως σερβοκινητήρες και ανεμογεννήτριες άμεσης-οδήγησης. Ωστόσο, η φυγόκεντρη δύναμη σε υψηλές σ.α.λ. (πάνω από 10.000 σ.α.λ.) μπορεί να αποσπάσει επιφανειακούς μαγνήτες εκτός εάν εφαρμοστούν χιτώνια από ανθρακονήματα ή δακτύλιοι συγκράτησης Inconel.

Οι ρότορες IPM ενσωματώνουν μαγνήτες μέσα στη στοίβα πλαστικοποίησης του ρότορα. Οι μαγνήτες προστατεύονται μηχανικά από φυγόκεντρες δυνάμεις, καθιστώντας το IPM κατάλληλο για κινητήρες έλξης υψηλής ταχύτητας (15.000-20.000 rpm). Επιπλέον, ο σίδηρος του ρότορα μεταξύ των μαγνητών δημιουργεί ροπή απροθυμίας λόγω διαφορών επαγωγής Ld και Lq, βελτιώνοντας τη συνολική απόδοση ροπής κατά 20-35% σε σύγκριση με το SPM του ίδιου όγκου μαγνήτη. Η αντιστάθμιση: Η συναρμολόγηση IPM είναι πιο περίπλοκη, απαιτεί ακριβές γέμισμα σχισμής και εποξειδικό εμποτισμό για να αποτραπεί η κίνηση του μαγνήτη υπό θερμική κυκλοποίηση.

Η μαγνητική διαρροή μειώνει την αποτελεσματική ροή που διασχίζει το διάκενο αέρα. Στους ρότορες SPM, η διαρροή συμβαίνει κυρίως μέσω του σιδερώματος του ρότορα, εάν η απόσταση από μαγνήτη-στο-πίσω-σιδήρου είναι πολύ μικρή. Ένα ελάχιστο πάχος σιδήρου πλάτης 5-8 mm για διάμετρο ρότορα 50 mm είναι τυπικό για τη διατήρηση της διαρροής κάτω από το 5% της συνολικής ροής.

Στους ρότορες IPM, οι διαδρομές διαρροής είναι πιο περίπλοκες: η ροή μπορεί να βραχυκυκλώσει- μεταξύ γειτονικών σχισμών μαγνητών μέσω των γεφυρών του ρότορα. Το πάχος της γέφυρας πρέπει να βελτιστοποιηθεί: μια γέφυρα λεπτότερη από 1,5 mm για στοίβα 30 mm κινδυνεύει με μηχανικό κάταγμα, αλλά μια γέφυρα με πάχος μεγαλύτερη από 2,5 mm αυξάνει τη διαρροή κατά 10-15%. Απαιτείται προσομοίωση FEA για να βρεθεί η ισορροπία. Η τυπική μας σχεδίαση IPM στοχεύει σε συντελεστή διαρροής (σ) 1,2-1,3.

Η κατεύθυνση μαγνήτισης σε σχέση με την επιφάνεια του ρότορα ορίζει τη διαδρομή ροής. Για τους ρότορες SPM, η ακτινική μαγνήτιση (μαγνητικό διάνυσμα που δείχνει προς τα έξω κατά μήκος της ακτίνας του ρότορα) είναι τυπική, παράγοντας ημιτονοειδές πίσω-EMF. Ωστόσο, η παράλληλη μαγνήτιση (όλα τα διανύσματα παράλληλα μεταξύ τους) δημιουργεί μια τραπεζοειδή κατανομή ροής, η οποία αυξάνει τον κυματισμό της ροπής κατά 8-12%, αλλά μπορεί να βελτιώσει τη μέγιστη ροπή κατά 5-7% σε μη ημιτονοειδή μηχανισμούς κίνησης.

Για τους ρότορες IPM, η κατεύθυνση μαγνήτισης μπορεί να είναι παράλληλη προς τον άξονα q- (ευθυγράμμιση φραγμού ροής) ή σε σχήμα V- με γωνία 20-30 μοιρών. Οι ρότορες IPM σε σχήμα V-με γωνία μαγνήτη 120-130 μοιρών παράγουν την υψηλότερη συνεισφορά ροπής απροθυμίας, βελτιώνοντας την απόδοση σε μερικά φορτία. Η πολυπολική μαγνήτιση (8-πολικός, 12-πολικός, 16-πολικός) μειώνει το πάχος του ζυγού του στάτορα αλλά αυξάνει την πολυπλοκότητα της συναρμολόγησης του μαγνήτη. Για ένα δεδομένο μέγεθος πλαισίου, η αύξηση του αριθμού πόλων από 8 σε 16 μειώνει το βάρος σιδήρου ράχης κατά περίπου 30%, αλλά απαιτεί 0,2-0,3 mm πιο αυστηρές ανοχές συναρμολόγησης.

Το βήμα του πόλου (το γωνιακό πλάτος κάθε μαγνήτη σε σχέση με το τόξο πόλου) καθορίζει το σχήμα κατανομής ροής. Ένα υπερβολικά μεγάλο βήμα πόλου μειώνει το κενό μεταξύ των παρακείμενων πόλων, αυξάνοντας τη διαρροή ροής. Ένα υπερβολικά στενό βήμα πόλου μειώνει τη συνολική ροή. Το βέλτιστο βήμα πόλου για επιφανειακά-μονταρισμένους μαγνήτες NdFeB είναι συνήθως το 70-80% του τόξου πόλου.

Χρησιμοποιώντας μαγνητική προσομοίωση ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA), αξιολογούμε:

Πυκνότητα ροής στο ονομαστικό φορτίο έναντι υπερφόρτωσης (2x ρεύμα)

Κίνδυνος απομαγνητισμού στη μέγιστη θερμοκρασία (χρησιμοποιώντας υποβάθμιση Hcj)

Πλάτος οδοντωτής ροπής (στόχος < 3% της ονομαστικής ροπής για σερβοκινητήρες)

Παρέχουμε στους πελάτες αναφορές FEA, συμπεριλαμβανομένων γραφικών γραμμών ροής, αρμονικών πυκνότητας ροής διακένου αέρα (ανάλυση FFT) και καμπύλες γωνίας ροπής-. Αυτά τα δεδομένα επιτρέπουν στους κατασκευαστές κινητήρων να οριστικοποιήσουν την περιέλιξη του στάτορα και το σχεδιασμό πλαστικοποίησης πριν από την επεξεργασία εργαλείων.

Για κατασκευαστές ρότορα PMSM που απαιτούν προσαρμοσμένα σχήματα μαγνητών (τμήματα τόξου, τραπεζοειδή μπλοκ) ή ολοκληρωμένα συγκροτήματα μαγνητών με προ{0}εφαρμογή κόλλας, ανατρέξτε στη σελίδα Συναρμολόγηση μαγνητών ρότορα στον ιστότοπό μας. Υποστηρίζουμε μοτίβα μαγνήτισης, συμπεριλαμβανομένων ημιτονοειδών, Halbach και τμηματοποιημένης λοξής για μείωση της κυματισμού ροπής.

Για να συζητήσετε τις προδιαγραφές του κινητήρα σας – συμπεριλαμβανομένης της ονομαστικής ταχύτητας, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και της κατηγορίας απόδοσης στόχου (IE4/IE5) – επικοινωνήστε με την τεχνική ομάδα μας. Παρέχουμε επιλογή βαθμού (N35UH, N42SH, N48H) και επικύρωση απομαγνήτισης FEA.

Ε: Πώς μπορώ να επιλέξω μεταξύ σχεδίασης ρότορα SPM και IPM για βιομηχανικό σερβοκινητήρα 10 kW;
Α: Για ταχύτητες κάτω από 6000 σ.α.λ. και απαίτηση κυματισμού χαμηλής ροπής, το SPM με μαγνήτες N42SH είναι-οικονομικό. Για ταχύτητες πάνω από 8000 rpm ή μεγάλο εύρος σταθερής ισχύος, επιλέξτε IPM με μαγνήτες N35UH για να αποφύγετε την αποκόλληση μαγνητών υψηλής-ταχύτητας.

Ε: Ποια είναι η τυπική διακύμανση πάχους μαγνήτη που επιτρέπεται σε ένα συγκρότημα ρότορα PMSM;
Α: Ανοχή πάχους: ±0,05mm για τα τμήματα SPM, ±0,03mm για τα ένθετα IPM. Η μεγαλύτερη διακύμανση προκαλεί ασυμμετρία του διακένου αέρα, αυξάνοντας τη μη ισορροπημένη μαγνητική έλξη και τους κραδασμούς.

Ε: Μπορείτε να προμηθεύσετε συγκροτήματα μαγνητών με εποξειδική επίστρωση για προστασία από τη διάβρωση σε ρότορες IPM;
Α: Ναι. Εφαρμόζουμε Ni-Cu-Ni (10-20μm) ή εποξειδικό (20-40μm) σε κάθε μαγνήτη. Για τους ρότορες IPM, η εποξειδική επίστρωση με πάχος 100-200μm στις άκρες του μαγνήτη βελτιώνει το γέμισμα των σχισμών και αποτρέπει την αγώγιμη επαφή μεταξύ μαγνήτη και πλαστικοποίησης.