Максимизиране на ефективността на PMSM: Ръководство за роторни магнитни възли

За синхронните двигатели с постоянен магнит (PMSM) конфигурацията на модула на роторния магнит влияе пряко върху пулсациите на въртящия момент, обратно-EMF формата на вълната и цялостната ефективност. Повърхностно монтираните ротори с постоянен магнит (SPM) осигуряват по-висока плътност на потока на въздушната междина, но страдат от магнитно изтичане при високи скорости, докато вътрешните ротори с постоянен магнит (IPM) осигуряват механична устойчивост и принос на въртящия момент на нежелание, но изискват прецизно разположение на магнита, за да се избегне анулирането на потока. Избирането на грешна роторна архитектура или ориентация на магнита намалява ефективността на двигателя с 5-12% в типичните индустриални задвижващи приложения. Следващото инженерно ръководство сравнява дизайните на SPM срещу IPM, обяснява ефектите от посоката на намагнитване върху изходящия въртящ момент и показва как FEA оптимизира стъпката на полюсите.

SPM роторите имат магнити, свързани или задържани върху външната обиколка на ротора. Този дизайн предлага голяма ефективна площ на въздушната междина, произвеждаща висок магнитен поток на обем на магнита. SPM е предпочитан за приложения с висока-плътност на въртящия момент като серво мотори и вятърни турбини с директно-задвижване. Въпреки това, центробежната сила при високи обороти (над 10 000 оборота в минута) може да откачи повърхностните магнити, освен ако не са приложени ръкави от въглеродни влакна или задържащи пръстени от инконел.

IPM роторите вграждат магнити в стека за ламиниране на ротора. Магнитите са механично защитени от центробежни сили, което прави IPM подходящ за високо-тягови двигатели (15 000-20 000 rpm). Освен това желязото на ротора между магнитите създава въртящ момент на съпротивление поради разликите в индуктивността Ld и Lq, подобрявайки общия изходен въртящ момент с 20-35% в сравнение със SPM на същия обем на магнита. Компромисът: IPM монтажът е по-сложен, изисква прецизно запълване на слотовете и епоксидно импрегниране, за да се предотврати движението на магнита при термични цикли.

Магнитното изтичане намалява ефективния поток, пресичащ въздушната междина. При SPM роторите изтичането възниква предимно през задната част на ротора, ако разстоянието между магнита-до-зад-желязото е твърде малко. Минимална дебелина на задната част на желязото от 5-8 mm за диаметър на ротора 50 mm е типична, за да поддържа изтичане под 5% от общия поток.

При IPM роторите пътищата на изтичане са по-сложни: потокът може да създаде късо-свързване между съседни магнитни слотове през роторните мостове. Дебелината на моста трябва да бъде оптимизирана: мост, по-тънък от 1,5 mm за стек от 30 mm, рискува механично счупване, но мост, по-дебел от 2,5 mm, увеличава изтичането с 10-15%. Необходима е FEA симулация, за да се намери балансът. Нашият стандартен IPM дизайн цели коефициент на утечка (σ) от 1,2-1,3.

Посоката на намагнитване спрямо повърхността на ротора определя пътя на потока. За SPM ротори радиалното намагнитване (магнитният вектор, насочен навън по протежение на радиуса на ротора) е стандартно, създавайки синусоидална обратна-ЕМП. Въпреки това паралелното намагнитване (всички вектори са успоредни един на друг) създава трапецовидно разпределение на потока, което увеличава пулсациите на въртящия момент с 8-12%, но може да подобри пиковия въртящ момент с 5-7% при несинусоидални задвижвания.

За IPM ротори посоката на намагнитване може да бъде успоредна на оста q- (подравняване на бариерата на потока) или във V-форма с 20-30 градусов ъгъл. V--образни IPM ротори с магнитен ъгъл от 120-130 градуса произвеждат най-голям принос на въртящия момент на съпротивление, подобрявайки ефективността при частични натоварвания. Многополюсното намагнитване (8-полюсно, 12-полюсно, 16-полюсно) намалява дебелината на статорния хомут, но увеличава сложността на монтажа на магнита. За даден размер на рамката, увеличаването на броя на полюсите от 8 на 16 намалява теглото на задното желязо с приблизително 30%, но изисква 0,2-0,3 mm по-строги толеранси при сглобяване.

Полюсната стъпка (ъгловата ширина на всеки магнит спрямо полюсната дъга) определя формата на разпределението на потока. Прекалено широката стъпка на полюсите намалява разстоянието между съседните полюси, увеличавайки изтичането на поток. Прекалено тясната стъпка на полюсите намалява общия поток. Оптималната стъпка на полюсите за повърхностно монтирани NdFeB магнити обикновено е 70-80% от полюсната дъга.

Използвайки магнитна симулация на анализ на крайните елементи (FEA), ние оценяваме:

Плътност на потока при номинално натоварване спрямо претоварване (2x ток)

Риск от размагнитване при максимална температура (използване на Hcj понижаване)

Амплитуда на зъбния въртящ момент (цел < 3% от номиналния въртящ момент за серво мотори)

Предоставяме на клиентите FEA отчети, включително графики на линиите на потока, хармоници на плътността на потока на въздушната междина (FFT анализ) и ъглови криви-на въртящия момент. Тези данни позволяват на производителите на двигатели да финализират статорната намотка и дизайна на ламиниране преди инструментална екипировка.

За производителите на ротори PMSM, които изискват персонализирани магнитни форми (дъгови сегменти, трапецовидни блокове) или цялостни магнитни възли с предварително -нанасяне на лепило, моля, вижте нашата страница за сглобяване на роторни магнити на нашия уебсайт. Поддържаме модели на намагнитване, включително синусоидално, Halbach и сегментирано изкривяване, за да намалим пулсациите на въртящия момент.

За да обсъдите вашите спецификации на двигателя – включително номинална скорост, температура на околната среда и целеви клас на ефективност (IE4/IE5) – свържете се с нашия технически екип. Ние предлагаме избор на степен (N35UH, N42SH, N48H) и FEA валидиране на размагнитване.

Въпрос: Как да избера между SPM и IPM дизайн на ротора за 10kW индустриален серво мотор?
О: За скорости под 6000 об/мин и изискване за ниска пулсация на въртящия момент, SPM с магнити N42SH е рентабилен-. За скорости над 8000 оборота в минута или широк обхват на постоянна мощност изберете IPM с магнити N35UH, за да избегнете отделянето на високо{6}}скоростния магнит.

В: Каква е типичната вариация на дебелината на магнита, разрешена в роторния възел PMSM?
A: Толеранс на дебелината: ±0,05 mm за SPM сегменти, ±0,03 mm за IPM вложки. По-голямата вариация причинява асиметрия на въздушната междина, увеличавайки небалансираното магнитно изтегляне и вибрациите.

В: Можете ли да доставите магнитни възли с епоксидно покритие за защита от корозия в IPM ротори?
A: Да. Нанасяме Ni-Cu-Ni (10-20 μm) или епоксид (20-40 μm) върху всеки магнит. За IPM ротори, епоксидно покритие с дебелина 100-200 μm върху ръбовете на магнита подобрява запълването на слотовете и предотвратява проводимия контакт между магнита и ламинирането.