A PMSM hatékonyságának maximalizálása: Útmutató a rotormágnes-szerelvényekhez

Az állandó mágneses szinkronmotorok (PMSM) esetében a rotormágnes-szerelvény konfigurációja közvetlenül befolyásolja a nyomaték hullámzását, az EMF vissza{0}}hullámformáját és az általános hatékonyságot. A felületre szerelt állandó mágneses (SPM) rotorok nagyobb légrés fluxussűrűséget biztosítanak, de nagy sebességnél mágneses szivárgást szenvednek, míg a belső állandó mágneses (IPM) rotorok mechanikai robusztusságot és reluktancia-nyomatékot biztosítanak, de pontos mágneselhelyezést igényelnek a fluxus kioltásának elkerülése érdekében. A nem megfelelő forgórész-architektúra vagy a mágnes irányultsága 5-12%-kal csökkenti a motor hatásfokát tipikus ipari hajtási alkalmazásokban. A következő mérnöki útmutató összehasonlítja az SPM és az IPM tervezéseit, elmagyarázza a mágnesezés irányának hatásait a nyomatékkimenetre, és bemutatja, hogyan optimalizálja a FEA a pólusosztást.

Az SPM rotorok mágnesekkel vannak rögzítve vagy rögzítve a rotor külső kerületén. Ez a kialakítás nagy effektív légrés területet kínál, és nagy mágneses fluxust eredményez mágnestérfogatonként. Az SPM-et előnyben részesítik a nagy-nyomatéksűrűségű alkalmazásoknál, például szervomotoroknál és közvetlen hajtású szélturbináknál. Azonban a centrifugális erő magas fordulatszámon (10 000 ford./perc felett) leválaszthatja a felületi mágneseket, hacsak nem alkalmaznak szénszálas hüvelyeket vagy Inconel rögzítőgyűrűket.

Az IPM rotorok mágneseket ágyaznak be a rotor lamináló kötegébe. A mágnesek mechanikusan védettek a centrifugális erőkkel szemben, így az IPM alkalmas nagy-sebességű vontatómotorokhoz (15 000-20 000 ford./perc). Ezenkívül a forgórész vasa a mágnesek között reluktancia nyomatékot hoz létre az Ld és Lq induktivitás különbségei miatt, ami 20-35%-kal javítja a teljes nyomatékkimenetet az azonos mágnes térfogatú SPM-hez képest. A kompromisszum: az IPM összeszerelés bonyolultabb, pontos réskitöltést és epoxi impregnálást igényel, hogy megakadályozza a mágnes mozgását a hőciklus alatt.

A mágneses szivárgás csökkenti a légrésen áthaladó effektív fluxust. Az SPM rotoroknál a szivárgás elsősorban a forgórész hátsó vasaján keresztül történik, ha a mágnes-a-hátul-vas távolsága túl kicsi. Az 50 mm-es forgórész átmérőjénél 5-8 mm minimális hátsó vasvastagság jellemző, hogy a szivárgás a teljes fluxus 5%-a alatt maradjon.

Az IPM rotoroknál a szivárgási útvonalak bonyolultabbak: a fluxus rövidre{0}}zárhat a szomszédos mágnesrések között a rotorhidak révén. A híd vastagságát optimalizálni kell: az 1,5 mm-nél vékonyabb híd 30 mm-es köteg esetén a mechanikai törés kockázatával jár, de a 2,5 mm-nél vastagabb híd 10-15%-kal növeli a szivárgást. FEA szimuláció szükséges az egyensúly megtalálásához. Szabványos IPM tervezésünk 1,2-1,3 közötti szivárgási együtthatót (σ) céloz meg.

A forgórész felületéhez viszonyított mágnesezési irány határozza meg a fluxus útját. Az SPM rotorok esetében a radiális mágnesezés (a rotor sugara mentén kifelé mutató mágneses vektor) szabványos, amely szinuszos vissza-EMF-et eredményez. Azonban a párhuzamos mágnesezés (az összes vektor egymással párhuzamos) trapéz alakú fluxuseloszlást hoz létre, ami 8-12%-kal növeli a nyomaték hullámzását, de 5-7%-kal javíthatja a csúcsnyomatékot a nem szinuszos hajtásokban.

Az IPM rotoroknál a mágnesezési irány párhuzamos lehet a q-tengellyel (fluxusgát igazítása) vagy V-alakú lehet, 20-30 fokos szögben. A V-alakú, 120-130 fokos mágnesszögű IPM rotorok a legnagyobb reluktancia-nyomatékot produkálják, javítva a hatékonyságot részleges terheléseknél. A többpólusú mágnesezés (8 pólusú, 12 pólusú, 16 pólusú) csökkenti az állórész járom vastagságát, de növeli a mágnes szerelvény bonyolultságát. Egy adott keretméret esetén a pólusszám 8-ról 16-ra növelése körülbelül 30%-kal csökkenti a vas tömegét, de 0,2-0,3 mm-rel szűkebb összeszerelési tűréseket igényel.

A pólusosztás (az egyes mágnesek szögszélessége a pólusívhez viszonyítva) határozza meg a fluxuseloszlás alakját. A túlságosan széles pólusemelkedés csökkenti a szomszédos pólusok közötti rést, növelve a fluxusszivárgást. A túl szűk pólusosztás csökkenti a teljes fluxust. A felületre szerelt NdFeB mágnesek optimális pólusosztása általában a pólusív 70-80%-a.

Végeselem-elemzés (FEA) mágneses szimuláció segítségével értékeljük:

Fluxussűrűség névleges terhelésnél vs. túlterhelésnél (2x áram)

Lemágnesezési kockázat maximális hőmérsékleten (Hcj leértékeléssel)

Fogadó nyomaték amplitúdója (a szervomotorok névleges nyomatékának a cél < 3%-a)

Ügyfeleink számára FEA-jelentéseket biztosítunk, beleértve a fluxusvonal diagramokat, a légrés fluxussűrűség-harmonikusait (FFT-elemzés) és a nyomaték{0}}szöggörbéit. Ezek az adatok lehetővé teszik a motorgyártók számára, hogy a szerszámozás előtt véglegesítsék az állórész tekercselés és a laminálás tervezését.

Azok a PMSM rotorgyártók, akik egyedi mágnesformákat (ívszegmenseket, trapézblokkokat) vagy komplett mágnes-szerelvényeket igényelnek, ragasztós elő-felhordással, kérjük, tekintse meg weboldalunk Rotormágnes-szerelvény oldalát. Támogatjuk a mágnesezési mintákat, beleértve a szinuszos, Halbach- és szegmentált ferdeséget a nyomaték hullámzásának csökkentése érdekében.

A motor műszaki jellemzőinek megbeszéléséhez – beleértve a névleges fordulatszámot, a környezeti hőmérsékletet és a célhatékonysági osztályt (IE4/IE5) – forduljon műszaki csapatunkhoz. Biztosítjuk a fokozatválasztást (N35UH, N42SH, N48H) és a FEA lemágnesezési érvényesítést.

K: Hogyan választhatok az SPM és az IPM rotor kialakítása között egy 10 kW-os ipari szervomotorhoz?
V: 6000 ford./perc alatti fordulatszámok és alacsony nyomatékhullám-követelmény esetén az SPM N42SH mágnesekkel költséghatékony-. 8000 ford./perc feletti fordulatszám vagy széles állandó teljesítménytartomány esetén válassza az IPM-et N35UH mágnesekkel, hogy elkerülje a nagy sebességű mágnesleválást.

K: Mekkora a megengedett tipikus mágnesvastagság változás egy PMSM rotor szerelvényben?
V: Vastagsági tűrés: ±0,05 mm SPM szegmenseknél, ±0,03 mm IPM lapkáknál. A nagyobb eltérés a légrés aszimmetriáját okozza, növeli a kiegyensúlyozatlan mágneses húzást és rezgést.

K: Szállíthat mágneses szerelvényeket epoxi bevonattal az IPM rotorok korrózióvédelméhez?
V: Igen. Minden mágnesre Ni-Cu-Ni-t (10-20μm) vagy epoxit (20-40μm) alkalmazunk. Az IPM rotorok esetében a mágnes szélein 100-200 μm vastagságú epoxi bevonat javítja a rések kitöltését, és megakadályozza a vezető érintkezést a mágnes és a laminálás között.