Maksimiziranje učinkovitosti PMSM: Vodič za sklopove magneta rotora

Za sinkrone motore s trajnim magnetima (PMSM), konfiguracija sklopa magneta rotora izravno utječe na valovitost zakretnog momenta, povratni-EMF valni oblik i ukupnu učinkovitost. Rotori s-površinskim permanentnim magnetima (SPM) isporučuju veću gustoću toka zračnog raspora, ali pate od magnetskog curenja pri velikim brzinama, dok rotori s unutarnjim permanentnim magnetima (IPM) pružaju mehaničku robusnost i doprinos okretnom momentu nevoljkosti, ali zahtijevaju precizno postavljanje magneta kako bi se izbjeglo poništavanje toka. Odabir pogrešne arhitekture rotora ili orijentacije magneta smanjuje učinkovitost motora za 5-12% u tipičnim industrijskim pogonskim aplikacijama. Sljedeći inženjerski vodič uspoređuje SPM i IPM dizajne, objašnjava učinke smjera magnetizacije na izlazni zakretni moment i pokazuje kako FEA optimizira nagib polova.

SPM rotori imaju magnete spojene ili zadržane na vanjskom obodu rotora. Ovaj dizajn nudi veliku efektivnu površinu zračnog raspora, proizvodeći veliki magnetski tok po volumenu magneta. SPM je poželjan za aplikacije s visokom-gustoćom zakretnog momenta kao što su servo motori i vjetroturbine s-izravnim pogonom. Međutim, centrifugalna sila pri visokom broju okretaja u minuti (iznad 10 000 okretaja u minuti) može odvojiti površinske magnete osim ako se ne primjenjuju rukavci od ugljičnih vlakana ili Inconel pričvrsni prstenovi.

IPM rotori ugrađuju magnete unutar hrpe laminacije rotora. Magneti su mehanički zaštićeni od centrifugalnih sila, što IPM čini prikladnim za vučne-motore velike brzine (15.000-20.000 o/min). Dodatno, željezo rotora između magneta stvara otporni moment zbog razlika u induktivnosti Ld i Lq, poboljšavajući ukupni izlazni moment za 20-35% u usporedbi sa SPM-om istog volumena magneta. Kompromis: sklop IPM-a je složeniji, zahtijeva precizno punjenje utora i impregnaciju epoksidom kako bi se spriječilo pomicanje magneta pod toplinskim ciklusima.

Magnetsko curenje smanjuje efektivni tok koji prolazi kroz zračni raspor. Kod SPM rotora do curenja prvenstveno dolazi kroz stražnji dio rotora ako je udaljenost magneta-do-stražnjeg-željeza premala. Minimalna debljina stražnjeg željeza od 5-8 mm za promjer rotora od 50 mm tipična je za održavanje curenja ispod 5% ukupnog toka.

U IPM rotorima, putevi curenja su složeniji: tok može izazvati kratki-spoj između susjednih utora magneta kroz mostove rotora. Debljina mosta mora biti optimizirana: most tanji od 1,5 mm za skup od 30 mm riskira mehanički lom, ali most deblji od 2,5 mm povećava curenje za 10-15%. Za pronalaženje ravnoteže potrebna je FEA simulacija. Naš standardni IPM dizajn cilja na koeficijent curenja (σ) od 1,2-1,3.

Smjer magnetizacije u odnosu na površinu rotora definira putanju toka. Za SPM rotore standardna je radijalna magnetizacija (magnetski vektor usmjeren prema van duž radijusa rotora) koja proizvodi sinusoidalni povratni-EMF. Međutim, paralelna magnetizacija (svi vektori međusobno paralelni) stvara trapezoidnu distribuciju toka, koja povećava valovitost zakretnog momenta za 8-12%, ali može poboljšati vršni zakretni moment za 5-7% u nesinusoidnim pogonima.

Za IPM rotore smjer magnetizacije može biti paralelan s osi q- (poravnanje barijere fluksa) ili u obliku slova V- pod kutom od 20-30 stupnjeva. IPM rotori u obliku slova V s kutom magneta od 120-130 stupnjeva proizvode najveći doprinos okretnog momenta nevoljkosti, poboljšavajući učinkovitost pri djelomičnim opterećenjima. Višepolna magnetizacija (8-polna, 12-polna, 16-polna) smanjuje debljinu jarma statora, ali povećava složenost sklopa magneta. Za određenu veličinu okvira, povećanje broja polova s ​​8 na 16 smanjuje težinu stražnjeg željeza za približno 30%, ali zahtijeva 0,2-0,3 mm veće tolerancije pri sklapanju.

Nagib pola (kutna širina svakog magneta u odnosu na luk pola) određuje oblik distribucije toka. Pretjerano širok razmak polova smanjuje razmak između susjednih polova, povećavajući curenje toka. Pretjerano uzak razmak polova smanjuje ukupni tok. Optimalni nagib polova za-površinski montirane NdFeB magnete obično je 70-80% luka pola.

Koristeći magnetsku simulaciju analize konačnih elemenata (FEA), procjenjujemo:

Gustoća toka pri nazivnom opterećenju u odnosu na preopterećenje (2x struja)

Rizik demagnetizacije na maksimalnoj temperaturi (koristeći Hcj smanjenje vrijednosti)

Amplituda zakretnog momenta (cilj < 3% nazivnog momenta za servo motore)

Klijentima pružamo FEA izvješća uključujući dijagrame linija toka, harmonike gustoće toka zračnog raspora (FFT analiza) i krivulje-kuta momenta. Ovi podaci omogućuju proizvođačima motora da dovrše dizajn namota statora i laminacije prije izrade alata.

Za proizvođače PMSM rotora koji zahtijevaju prilagođene oblike magneta (lučni segmenti, trapezoidni blokovi) ili potpune sklopove magneta s pret-nanošenjem ljepila, molimo pogledajte našu stranicu za sklop magneta rotora na našoj web stranici. Podržavamo uzorke magnetizacije uključujući sinusoidnu, Halbachovu i segmentiranu zakrivljenost za smanjenje valovitosti momenta.

Za raspravu o specifikacijama vašeg motora – uključujući nazivnu brzinu, temperaturu okoline i ciljanu klasu učinkovitosti (IE4/IE5) – kontaktirajte naš tehnički tim. Nudimo izbor razreda (N35UH, N42SH, N48H) i FEA provjeru demagnetizacije.

P: Kako mogu odabrati između SPM i IPM dizajna rotora za industrijski servo motor od 10kW?
O: Za brzine ispod 6000 o/min i niske zahtjeve za valovitošću zakretnog momenta, SPM s N42SH magnetima je isplativ-. Za brzine iznad 8000 o/min ili širok raspon konstantne snage odaberite IPM s N35UH magnetima kako biste izbjegli-odvajanje magneta pri velikim brzinama.

P: Koja je tipična varijacija debljine magneta dopuštena u sklopu rotora PMSM?
A: Tolerancija debljine: ±0,05 mm za SPM segmente, ±0,03 mm za IPM umetke. Veće varijacije uzrokuju asimetriju zračnog raspora, povećavajući neuravnoteženu magnetsku silu i vibracije.

P: Možete li isporučiti sklopove magneta s epoksidnim premazom za zaštitu od korozije u IPM rotorima?
O: Da. Na svaki magnet nanosimo Ni-Cu-Ni (10-20μm) ili epoksid (20-40μm). Za IPM rotore, epoksidni premaz debljine 100-200 μm na rubovima magneta poboljšava punjenje utora i sprječava vodljivi kontakt između magneta i laminacije.