Максимізація ефективності PMSM: Посібник із роторних магнітних вузлів

Для синхронних двигунів з постійними магнітами (PMSM) конфігурація вузла роторного магніту безпосередньо впливає на пульсації крутного моменту, форму хвилі зворотної-ЕРС і загальну ефективність. Поверхневі ротори з постійними магнітами (SPM) забезпечують вищу щільність потоку повітряного проміжку, але страждають від магнітного витоку на високих швидкостях, тоді як ротори з внутрішніми постійними магнітами (IPM) забезпечують механічну міцність і внесок крутного моменту, але потребують точного розташування магніту, щоб уникнути гасіння потоку. Вибір неправильної архітектури ротора або орієнтації магніту знижує ефективність двигуна на 5-12% у типових промислових приводах. У наступному інженерному посібнику порівнюються конструкції SPM та IPM, пояснюється вплив напрямку намагніченості на вихідний крутний момент і показано, як FEA оптимізує крок полюсів.

Ротори SPM мають магніти, прикріплені або утримані на зовнішній окружності ротора. Ця конструкція пропонує велику ефективну площу повітряного зазору, створюючи високий магнітний потік на об’єм магніту. SPM є кращим для застосувань із високим-крутним моментом, таких як серводвигуни та вітрові турбіни-з прямим приводом. Однак відцентрова сила при високих обертах на хвилину (понад 10 000 об/хв) може від'єднати поверхневі магніти, якщо не використовувати муфти з вуглецевого волокна або стопорні кільця з інконелю.

Ротори IPM вбудовують магніти всередину стосу ламінування ротора. Магніти механічно захищені від відцентрових сил, що робить IPM придатним для високошвидкісних-тягових двигунів (15 000-20 000 об/хв). Крім того, залізо ротора між магнітами створює опорний момент через різницю індуктивностей Ld і Lq, покращуючи загальний вихідний момент на 20-35% порівняно з SPM того самого об’єму магніту. Компроміс: збірка IPM є складнішою, вимагає точного заповнення пазів і епоксидного просочення, щоб запобігти переміщенню магніту під час термоциклування.

Магнітний витік зменшує ефективний потік, що проходить через повітряний зазор. У SPM-роторах витік переважно відбувається через залізо ротора, якщо відстань між магнітом-до--заліза надто мала. Мінімальна товщина заднього заліза 5-8 мм для діаметра ротора 50 мм є типовою для утримання витоку нижче 5% від загального потоку.

У роторах IPM шляхи витоку складніші: потік може закоротити-між сусідніми прорізами магніту через мости ротора. Товщина мосту повинна бути оптимізована: міст тонший за 1,5 мм для 30-міліметрової групи ризикує механічно зламатися, але міст товщий ніж 2,5 мм збільшує витік на 10-15%. Щоб знайти баланс, потрібне моделювання FEA. Наша стандартна конструкція IPM націлена на коефіцієнт витоку (σ) 1,2-1,3.

Напрямок намагніченості відносно поверхні ротора визначає шлях потоку. Для роторів SPM радіальна намагніченість (магнітний вектор, спрямований назовні вздовж радіуса ротора) є стандартною, створюючи синусоїдну зворотну-ЕРС. Однак паралельна намагніченість (усі вектори паралельні один одному) створює трапецієподібний розподіл потоку, що збільшує пульсації крутного моменту на 8-12%, але може покращити піковий крутний момент на 5-7% у несинусоїдальних приводах.

Для роторів IPM напрямок намагніченості може бути паралельним осі q- (вирівнювання бар’єру потоку) або у формі V- з кутом 20-30 градусів. V--подібні ротори IPM з кутом нахилу магніту 120-130 градусів створюють найбільший внесок крутного моменту, підвищуючи ефективність при часткових навантаженнях. Багатополюсна намагніченість (8-полюсна, 12-полюсна, 16-полюсна) зменшує товщину ярма статора, але збільшує складність збірки магніту. Для заданого розміру рами збільшення кількості полюсів з 8 до 16 зменшує вагу заднього заліза приблизно на 30%, але вимагає 0,2-0,3 мм більш жорстких допусків при складанні.

Крок полюса (кутова ширина кожного магніту відносно полюсної дуги) визначає форму розподілу потоку. Надмірно широкий крок полюсів зменшує зазор між сусідніми полюсами, збільшуючи витік потоку. Надмірно вузький крок полюсів зменшує загальний потік. Оптимальний крок полюсів для магнітів NdFeB, встановлених на поверхні, зазвичай становить 70-80% полюсної дуги.

Використовуючи магнітне моделювання аналізу кінцевих елементів (FEA), ми оцінюємо:

Щільність потоку при номінальному навантаженні проти перевантаження (2x струм)

Ризик розмагнічування при максимальній температурі (з використанням зниження номіналу Hcj)

Амплітуда крутного моменту (цільове значення < 3% номінального крутного моменту для серводвигунів)

Ми надаємо клієнтам звіти FEA, включаючи графіки ліній потоку, гармоніки щільності потоку повітряного зазору (аналіз ШПФ) і кутові криві-крутного моменту. Ці дані дають змогу виробникам двигунів завершити конструкцію обмотки статора та ламінування перед виготовленням інструменту.

Для виробників роторів PMSM, яким потрібні нестандартні форми магнітів (дугові сегменти, трапецієподібні блоки) або повні вузли магнітів із попереднім -застосуванням клею, зверніться до нашої сторінки «Магніт ротора» на нашому веб-сайті. Ми підтримуємо моделі намагніченості, включаючи синусоїдальну, Halbach і сегментовану перекоси для зменшення пульсацій крутного моменту.

Щоб обговорити технічні характеристики двигуна, включаючи номінальну швидкість, температуру навколишнього середовища та цільовий клас ефективності (IE4/IE5), зверніться до нашої технічної команди. Ми забезпечуємо вибір класу (N35UH, N42SH, N48H) і валідацію розмагнічування FEA.

З: Як вибрати між дизайном ротора SPM та IPM для промислового серводвигуна потужністю 10 кВт?
A: Для швидкостей нижче 6000 об/хв і низьких вимог до пульсацій крутного моменту SPM з магнітами N42SH економічно-вигідний. Для швидкості понад 8000 об/хв або широкого діапазону постійної потужності вибирайте IPM з магнітами N35UH, щоб уникнути від’єднання високошвидкісного-магніта.

З: Яка типова зміна товщини магніту дозволена в роторному вузлі PMSM?
A: Допуск на товщину: ±0,05 мм для сегментів SPM, ±0,03 мм для вставок IPM. Більша варіація спричиняє асиметрію повітряного проміжку, посилюючи незбалансоване магнітне тяжіння та вібрацію.

З: Чи можете ви постачати магнітні вузли з епоксидним покриттям для захисту від корозії роторів IPM?
A: Так. Ми наносимо Ni-Cu-Ni (10-20 мкм) або епоксидну смолу (20-40 мкм) на кожен магніт. Для роторів IPM епоксидне покриття товщиною 100-200 мкм на краях магніту покращує заповнення щілин і запобігає електропровідному контакту між магнітом і ламінацією.