Maksimalus PMSM efektyvumo padidinimas: rotoriaus magnetų mazgų vadovas

Nuolatinių magnetų sinchroniniams varikliams (PMSM) rotoriaus magneto mazgo konfigūracija tiesiogiai veikia sukimo momento bangavimą, atgalinę{0}}EMF bangos formą ir bendrą efektyvumą. Paviršiaus-nuolatinio magneto (SPM) rotoriai užtikrina didesnį oro tarpo srauto tankį, bet patiria magnetinį nuotėkį esant dideliam greičiui, o vidinio nuolatinio magneto (IPM) rotoriai užtikrina mechaninį tvirtumą ir atsparumo sukimo momentą, tačiau juos reikia tiksliai išdėstyti, kad būtų išvengta srauto panaikinimo. Pasirinkus netinkamą rotoriaus architektūrą arba magneto orientaciją, variklio efektyvumas sumažėja 5–12 %, kai naudojamos tipinės pramoninės pavaros. Šiame inžinerijos vadove palyginamos SPM ir IPM konstrukcijos, paaiškinamas įmagnetinimo krypties poveikis sukimo momento išėjimui ir parodoma, kaip FEA optimizuoja polių žingsnį.

SPM rotoriai turi magnetus, pritvirtintus arba laikomus ant rotoriaus išorinės perimetro. Ši konstrukcija siūlo didelį efektyvų oro tarpo plotą, sukuriantį didelį magnetinį srautą vienam magneto tūriui. SPM pirmenybė teikiama didelio -sukimo momento tankio programoms, pvz., servo varikliams ir tiesioginės pavaros-vėjo turbinoms. Tačiau išcentrinė jėga esant dideliam apsisukimų per minutę (virš 10 000 aps./min.) gali atplėšti paviršiaus magnetus, nebent būtų naudojamos anglies pluošto įvorės arba „Inconel“ fiksavimo žiedai.

IPM rotoriai įmontuoja magnetus rotoriaus laminavimo kamino viduje. Magnetai yra mechaniškai apsaugoti nuo išcentrinių jėgų, todėl IPM tinka didelio greičio traukos varikliams (15 000-20 000 aps./min.). Be to, rotoriaus lygintuvas tarp magnetų sukuria pasipriešinimo sukimo momentą dėl Ld ir Lq induktyvumo skirtumų, pagerindamas bendrą sukimo momentą 20–35%, palyginti su to paties magneto tūrio SPM. Kompromisas: IPM surinkimas yra sudėtingesnis, todėl reikia tiksliai užpildyti plyšius ir impregnuoti epoksidinį derinį, kad būtų išvengta magneto judėjimo terminio ciklo metu.

Magnetinis nuotėkis sumažina efektyvų srautą, kertantį oro tarpą. SPM rotoriuose nuotėkis pirmiausia atsiranda per rotoriaus užpakalinę geležį, jei atstumas tarp magneto-ir{2}}galinės-geležies yra per mažas. Mažiausias užpakalinės geležies storis yra 5–8 mm, kai rotoriaus skersmuo 50 mm, kad nuotėkis būtų mažesnis nei 5 % viso srauto.

IPM rotoriuose nuotėkio keliai yra sudėtingesni: srautas gali trumpasis{0}}jungti tarp gretimų magnetų plyšių per rotoriaus tiltelius. Tilto storis turi būti optimizuotas: plonesnis nei 1,5 mm tiltas 30 mm stulpui gali mechaniniu lūžti, o storesnis nei 2,5 mm padidina nuotėkį 10-15%. Norint rasti pusiausvyrą, reikalingas FEA modeliavimas. Mūsų standartinės IPM konstrukcijos tikslas – 1,2–1,3 nuotėkio koeficientas (σ).

Įmagnetinimo kryptis rotoriaus paviršiaus atžvilgiu apibrėžia srauto kelią. SPM rotoriams radialinis įmagnetinimas (magnetinis vektorius, nukreiptas į išorę išilgai rotoriaus spindulio) yra standartinis, sukuriantis sinusoidinį atgal-EMF. Tačiau lygiagretus įmagnetinimas (visi vektoriai lygiagrečiai vienas kitam) sukuria trapecijos formos srauto pasiskirstymą, kuris padidina sukimo momento pulsaciją 8-12%, bet gali 5-7% pagerinti ne sinusoidinių pavarų didžiausią sukimo momentą.

IPM rotorių įmagnetinimo kryptis gali būti lygiagreti q{0}}ašiai (srauto barjero išlygiavimas) arba V-formos 20-30 laipsnių kampu. V-formos IPM rotoriai su 120–130 laipsnių magneto kampu sukuria didžiausią pasipriešinimo sukimo momentą, pagerindami efektyvumą esant dalinėms apkrovoms. Daugiapolis įmagnetinimas (8 polių, 12 polių, 16 polių) sumažina statoriaus jungo storį, bet padidina magneto surinkimo sudėtingumą. Esant tam tikram rėmo dydžiui, polių skaičiaus padidinimas nuo 8 iki 16 sumažina galinio geležies svorį maždaug 30 %, tačiau reikia 0,2–0,3 mm griežtesnių surinkimo nuokrypių.

Poliaus žingsnis (kiekvieno magneto kampinis plotis poliaus lanko atžvilgiu) lemia srauto pasiskirstymo formą. Per platus polių žingsnis sumažina tarpą tarp gretimų polių ir padidina srauto nuotėkį. Per siauras polių žingsnis sumažina bendrą srautą. Optimalus poliaus žingsnis paviršiuje{3}}montuojamiems NdFeB magnetams paprastai yra 70–80 % poliaus lanko.

Naudodami baigtinių elementų analizės (FEA) magnetinį modeliavimą, įvertiname:

Srauto tankis esant vardinei apkrovai ir perkrovai (2x srovė)

Išmagnetinimo rizika esant maksimaliai temperatūrai (naudojant Hcj sumažinimą)

Sukimo momento amplitudė (tikslinis < 3 % vardinio servo variklių sukimo momento)

Klientams teikiame FEA ataskaitas, įskaitant srauto linijų diagramas, oro tarpo srauto tankio harmonikas (FFT analizę) ir sukimo momento{0}}kampo kreives. Šie duomenys leidžia variklių gamintojams užbaigti statoriaus apvijų ir laminavimo projektą prieš pradedant įrankius.

PMSM rotorių gamintojams, kuriems reikia pasirinktinių magnetų formų (lanko segmentų, trapecijos formos blokų) arba pilnų magnetų rinkinių su klijais, žr. mūsų svetainėje esantį rotoriaus magneto mazgo puslapį. Mes palaikome įmagnetinimo modelius, įskaitant sinusoidinį, Halbacho ir segmentinį pasvirimą, kad sumažintume sukimo momento bangavimą.

Norėdami aptarti savo variklio specifikacijas, įskaitant vardinį greitį, aplinkos temperatūrą ir tikslinę efektyvumo klasę (IE4/IE5), susisiekite su mūsų technine komanda. Teikiame klasės pasirinkimą (N35UH, N42SH, N48H) ir FEA išmagnetinimo patvirtinimą.

Kl .: Kaip pasirinkti SPM ir IPM rotoriaus dizainą 10 kW pramoniniam servo varikliui?
A: esant mažesniam nei 6000 aps./min greičiui ir mažam sukimo momento pulsacijos reikalavimui, SPM su N42SH magnetais yra ekonomiškas{2}}. Jei greitis viršija 8000 aps./min. arba platus pastovios galios diapazonas, rinkitės IPM su N35UH magnetais, kad išvengtumėte didelio{6}}greičio magneto atsiskyrimo.

Kl.: koks yra tipiškas magneto storio pokytis PMSM rotoriaus agregate?
A: Storio tolerancija: ±0,05 mm SPM segmentams, ±0,03 mm IPM įdėklams. Didesnė variacija sukelia oro tarpo asimetriją, padidindama nesubalansuotą magnetinę trauką ir vibraciją.

Kl.: Ar galite tiekti magnetų mazgus su epoksidine danga, kad apsaugotumėte nuo korozijos IPM rotoriuose?
A: Taip. Ant kiekvieno magneto tepame Ni-Cu-Ni (10–20 μm) arba epoksidinę dervą (20–40 μm). IPM rotoriams epoksidinė danga, kurios storis yra 100–200 μm ant magneto kraštų, pagerina plyšių užpildymą ir apsaugo nuo laidaus kontakto tarp magneto ir laminato.