Maksymalizacja wydajności PMSM: przewodnik po zespołach magnesów wirnika

W przypadku silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM) konfiguracja zespołu magnesów wirnika ma bezpośredni wpływ na tętnienie momentu obrotowego, przebieg wstecznego pola elektromagnetycznego i ogólną wydajność. Wirniki-montowane powierzchniowo z magnesami trwałymi (SPM) zapewniają większą gęstość strumienia w szczelinie powietrznej, ale są podatne na wycieki magnetyczne przy dużych prędkościach, natomiast wirniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi (IPM) zapewniają wytrzymałość mechaniczną i reluktancję momentu obrotowego, ale wymagają precyzyjnego rozmieszczenia magnesów, aby uniknąć anulowania strumienia. Wybór niewłaściwej architektury wirnika lub orientacji magnesu zmniejsza sprawność silnika o 5-12% w typowych zastosowaniach napędów przemysłowych. Poniższy przewodnik inżynieryjny porównuje konstrukcje SPM i IPM, wyjaśnia wpływ kierunku magnesowania na wyjściowy moment obrotowy i pokazuje, jak MES optymalizuje rozstaw biegunów.

Wirniki SPM mają magnesy przymocowane lub przytrzymywane na zewnętrznym obwodzie wirnika. Konstrukcja ta zapewnia dużą efektywną powierzchnię szczeliny powietrznej, wytwarzając wysoki strumień magnetyczny na objętość magnesu. SPM jest preferowany w zastosowaniach o wysokiej-gęstości momentu obrotowego, takich jak serwomotory i turbiny wiatrowe z napędem bezpośrednim-. Jednakże siła odśrodkowa przy wysokich obrotach (powyżej 10 000 obr./min) może odłączyć magnesy powierzchniowe, chyba że zostaną zastosowane tuleje z włókna węglowego lub pierścienie ustalające z Inconelu.

Wirniki IPM osadzają magnesy wewnątrz stosu laminacji wirnika. Magnesy są mechanicznie chronione przed siłami odśrodkowymi, dzięki czemu IPM nadaje się do-silników trakcyjnych o dużej prędkości (15 000-20 000 obr/min). Dodatkowo, żelazo wirnika pomiędzy magnesami wytwarza moment reluktancyjny ze względu na różnice w indukcyjności Ld i Lq, poprawiając ogólny wyjściowy moment obrotowy o 20-35% w porównaniu do SPM o tej samej objętości magnesu. Kompromis: montaż IPM jest bardziej złożony i wymaga precyzyjnego wypełnienia szczelin i impregnacji żywicą epoksydową, aby zapobiec ruchowi magnesu w warunkach cykli termicznych.

Wyciek magnetyczny zmniejsza efektywny strumień przechodzący przez szczelinę powietrzną. W wirnikach SPM wyciek występuje głównie przez tylne żelazo wirnika, jeśli odległość magnesu od-tylnego-żelaza jest zbyt mała. Minimalna grubość tylnego żelaza wynosząca 5-8 mm dla wirnika o średnicy 50 mm jest typowa, aby utrzymać wyciek poniżej 5% całkowitego strumienia.

W wirnikach IPM ścieżki wycieków są bardziej złożone: strumień może-zwierać pomiędzy sąsiednimi szczelinami magnesów przez mostki wirnika. Należy zoptymalizować grubość mostu: mostek cieńszy niż 1,5 mm dla stosu 30 mm stwarza ryzyko mechanicznego złamania, ale mostek grubszy niż 2,5 mm zwiększa wyciek o 10–15%. Aby znaleźć równowagę, wymagana jest symulacja MES. Nasz standardowy projekt IPM zakłada współczynnik wycieku (σ) na poziomie 1,2–1,3.

Kierunek magnesowania względem powierzchni wirnika określa ścieżkę strumienia. W przypadku wirników SPM magnesowanie promieniowe (wektor magnetyczny skierowany na zewnątrz wzdłuż promienia wirnika) jest standardem, wytwarzającym sinusoidalne-pole elektromagnetyczne. Jednakże magnesowanie równoległe (wszystkie wektory równoległe do siebie) tworzy trapezoidalny rozkład strumienia, który zwiększa tętnienie momentu obrotowego o 8-12%, ale może poprawić szczytowy moment obrotowy o 5-7% w napędach niesinusoidalnych.

W przypadku wirników IPM kierunek magnesowania może być równoległy do ​​osi q- (wyrównanie bariery strumienia) lub mieć kształt litery V-o kącie 20-30 stopni. Wirniki IPM w kształcie litery V z kątem magnesu 120–130 stopni zapewniają najwyższy udział momentu reluktancyjnego, poprawiając wydajność przy częściowych obciążeniach. Magnetyzacja wielobiegunowa (8-biegunowa, 12-biegunowa, 16-biegunowa) zmniejsza grubość jarzma stojana, ale zwiększa złożoność montażu magnesu. Dla danego rozmiaru ramy zwiększenie liczby biegunów z 8 do 16 zmniejsza wagę tylnego elementu o około 30%, ale wymaga węższych tolerancji montażowych o 0,2–0,3 mm.

Podziałka biegunowa (szerokość kątowa każdego magnesu względem łuku biegunowego) określa kształt rozkładu strumienia. Zbyt szeroki odstęp między biegunami zmniejsza odstęp między sąsiednimi biegunami, zwiększając wyciek strumienia. Zbyt wąska podziałka biegunów zmniejsza całkowity strumień. Optymalny rozstaw biegunów w przypadku magnesów NdFeB-montowanych powierzchniowo wynosi zazwyczaj 70–80% łuku biegunowego.

Korzystając z symulacji magnetycznej metodą elementów skończonych (FEA), oceniamy:

Gęstość strumienia przy obciążeniu znamionowym w funkcji przeciążenia (2x prąd)

Ryzyko rozmagnesowania w maksymalnej temperaturze (przy zastosowaniu obniżania wartości znamionowych Hcj)

Amplituda momentu obrotowego (docelowa < 3% momentu znamionowego dla silników serwo)

Dostarczamy klientom raporty FEA obejmujące wykresy linii strumienia, harmoniczne gęstości strumienia w szczelinie powietrznej (analiza FFT) i krzywe-kąta momentu obrotowego. Dane te umożliwiają producentom silników sfinalizowanie projektu uzwojenia stojana i laminowania przed obróbką.

Producenci wirników PMSM wymagających niestandardowych kształtów magnesów (segmenty łuków, bloki trapezowe) lub kompletnych zespołów magnesów z wstępnym{{0}nałożeniem kleju mogą zapoznać się z naszą stroną dotyczącą montażu magnesów wirnika w naszej witrynie internetowej. Obsługujemy wzorce magnesowania, w tym sinusoidalne, Halbacha i segmentowe skośne, aby zmniejszyć tętnienie momentu obrotowego.

Aby omówić specyfikacje silnika – w tym prędkość znamionową, temperaturę otoczenia i docelową klasę sprawności (IE4/IE5) – skontaktuj się z naszym zespołem technicznym. Zapewniamy wybór gatunku (N35UH, N42SH, N48H) i walidację demagnetyzacji FEA.

P: Jak wybrać konstrukcję wirnika SPM lub IPM dla przemysłowego serwomotoru o mocy 10 kW?
Odp.: W przypadku prędkości poniżej 6000 obr./min i wymagań dotyczących tętnienia niskiego momentu obrotowego, SPM z magnesami N42SH jest-opłacalny. W przypadku prędkości powyżej 8000 obr/min lub szerokiego zakresu mocy stałej wybierz IPM z magnesami N35UH, aby uniknąć odłączenia magnesu-przy dużej prędkości.

P: Jaka jest typowa zmiana grubości magnesu dozwolona w zespole wirnika PMSM?
Odp.: Tolerancja grubości: ±0,05 mm dla segmentów SPM, ±0,03 mm dla płytek IPM. Większa zmienność powoduje asymetrię szczeliny powietrznej, zwiększając niezrównoważone przyciąganie magnetyczne i wibracje.

P: Czy możecie dostarczyć zespoły magnesów z powłoką epoksydową w celu ochrony przed korozją w wirnikach IPM?
O: Tak. Na każdy magnes nakładamy Ni-Cu-Ni (10–20 μm) lub żywicę epoksydową (20–40 μm). W przypadku wirników IPM powłoka epoksydowa o grubości 100-200 μm na krawędziach magnesu poprawia wypełnianie szczelin i zapobiega przewodzącemu stykowi magnesu z laminatem.