Maksimiziranje PMSM efikasnosti: Vodič za sklopove magneta rotora

Za sinhrone motore s permanentnim magnetom (PMSM), konfiguracija sklopa magneta rotora direktno utiče na talasanje momenta, povratni-EMF talasni oblik i ukupnu efikasnost. Površinski-rotori sa trajnim magnetom (SPM) daju veću gustinu fluksa vazdušnog raspora, ali pate od magnetnog curenja pri velikim brzinama, dok unutrašnji trajni magnet (IPM) rotori pružaju mehaničku robusnost i doprinos obrtnom momentu, ali zahtijevaju precizno postavljanje magneta kako bi se izbjeglo poništavanje fluksa. Odabir pogrešne arhitekture rotora ili orijentacije magneta smanjuje efikasnost motora za 5-12% u tipičnim industrijskim aplikacijama pogona. Sledeći inženjerski vodič upoređuje SPM i IPM dizajn, objašnjava efekte smera magnetizacije na izlazni obrtni moment i pokazuje kako FEA optimizuje nagib polova.

SPM rotori imaju magnete vezane ili zadržane na vanjskom obodu rotora. Ovaj dizajn nudi veliku efektivnu površinu vazdušnog raspora, proizvodeći visok magnetni fluks po zapremini magneta. SPM je poželjan za aplikacije velike-gustine obrtnog momenta kao što su servo motori i vjetroturbine s direktnim{3}} pogonom. Međutim, centrifugalna sila pri visokim okretajima (iznad 10.000 o/min) može odvojiti površinske magnete osim ako se ne primjenjuju navlake od karbonskih vlakana ili inconel prstenovi.

IPM rotori ugrađuju magnete unutar laminatnog sloja rotora. Magneti su mehanički zaštićeni od centrifugalnih sila, što IPM čini pogodnim za-motore velike brzine (15.000-20.000 o/min). Dodatno, rotorsko gvožđe između magneta stvara reluktantni obrtni moment zbog razlika u induktivnosti Ld i Lq, poboljšavajući ukupni izlazni obrtni moment za 20-35% u poređenju sa SPM-om iste zapremine magneta. Kompromis: IPM sklop je složeniji, zahtijeva precizno punjenje proreza i impregnaciju epoksidom kako bi se spriječilo pomicanje magneta pod termičkim ciklusom.

Magnetno curenje smanjuje efektivni fluks koji prelazi vazdušni jaz. U SPM rotorima, curenje se prvenstveno javlja kroz stražnji gvožđe rotora ako je udaljenost magneta-od-pozadi-gvožđa premala. Minimalna debljina zadnjeg gvožđa od 5-8 mm za prečnik rotora od 50 mm je tipična za održavanje curenja ispod 5% ukupnog fluksa.

U IPM rotorima, putevi curenja su složeniji: fluks može kratko-spajati između susjednih magnetnih utora kroz mostove rotora. Debljina mosta mora biti optimizirana: most tanji od 1,5 mm za snop od 30 mm rizikuje 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 fluksa. Za SPM rotore, radijalna magnetizacija (magnetski vektor usmjeren prema van duž radijusa rotora) je standardna, stvarajući sinusoidni povratni-EMF. Međutim, paralelna magnetizacija (svi vektori paralelni jedan s drugim) stvara trapezoidnu distribuciju fluksa, što povećava valovitost momenta za 8-12%, ali može poboljšati vršni moment za 5-7% u nesinusoidnim pogonima.

Za IPM rotore, smjer magnetizacije može biti paralelan sa q-osom (poravnanje barijere fluksa) ili V-u obliku pod uglom od 20-30 stepeni. IPM rotori u obliku slova V- sa uglom magneta od 120-130 stepeni daju najveći doprinos reluktantnog momenta, poboljšavajući efikasnost pri delimičnim opterećenjima. Višepolna magnetizacija (8-polna, 12-polna, 16-polna) smanjuje debljinu jarma statora, ali povećava složenost montaže magneta. Za datu veličinu okvira, povećanje broja stubova sa 8 na 16 smanjuje težinu zadnjeg gvožđa za približno 30%, ali zahteva 0,2-0,3 mm čvršće tolerancije montaže.

Korak polova (ugaona širina svakog magneta u odnosu na polni luk) određuje oblik raspodjele fluksa. Prevelik nagib polova smanjuje razmak između susjednih polova, povećavajući curenje fluksa. Previše uzak korak polova smanjuje ukupni fluks. Optimalni korak polova za površinski-montirane NdFeB magnete je tipično 70-80% polova.

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

Gustina protoka pri nazivnom opterećenju u odnosu na preopterećenje (2x struja)

Rizik od demagnetizacije na maksimalnoj temperaturi (koristeći Hcj deratizaciju)

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

Kupcima pružamo FEA izvještaje uključujući grafikone linija fluksa, harmonike gustine fluksa zračnog jaza (FFT analiza) i krivulje uglova momenta{0}}. Ovi podaci omogućavaju proizvođačima motora da finaliziraju dizajn namotaja statora i laminacije prije izrade alata.

Za proizvođače PMSM rotora koji zahtijevaju prilagođene oblike magneta (lučni segmenti, trapezoidne blokove) ili kompletne magnetne sklopove sa pred-aplikacijom ljepila, pogledajte našu stranicu Sklop magneta rotora na našoj web stranici. Podržavamo obrasce magnetizacije, uključujući sinusoidno, Halbach i segmentirano košenje kako bismo smanjili talasanje momenta.

Za razgovor o specifikacijama vašeg motora – uključujući nazivnu brzinu, temperaturu okoline i ciljnu klasu efikasnosti (IE4/IE5) – kontaktirajte naš tehnički tim. Pružamo izbor razreda (N35UH, N42SH, N48H) i FEA validaciju demagnetizacije.

P: Kako da biram između SPM i IPM dizajna rotora za industrijski servo motor od 10 kW?
O: Za brzine ispod 6000 o/min i zahtjeve za niskim talasnim momentom, SPM sa N42SH magnetima je isplativ-. Za brzine iznad 8000 o/min ili širok raspon konstantne snage, odaberite IPM sa N35UH magnetima kako biste izbjegli-odvajanje magneta velike brzine.

P: Koja je tipična varijacija debljine magneta dozvoljena u sklopu PMSM rotora?
O: Tolerancija debljine: ±0,05 mm za SPM segmente, ±0,03 mm za IPM umetke. Veće varijacije uzrokuju asimetriju zračnog raspora, povećavajući neuravnoteženo magnetsko povlačenje i vibracije.

P: Možete li nabaviti magnetne sklopove sa 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 proreza i sprječava provodljivi kontakt između magneta i laminacije.