Максимизирање ПМСМ ефикасности: Водич за склопове магнета ротора

За синхроне моторе са трајним магнетима (ПМСМ), конфигурација склопа магнета ротора директно утиче на таласање обртног момента, повратни{0}}ЕМФ таласни облик и укупну ефикасност. Површински-Ротори са перманентним магнетом (СПМ) постављају већу густину флукса у ваздушном зазору, али пате од магнетног цурења при великим брзинама, док унутрашњи ротори са перманентним магнетом (ИПМ) обезбеђују механичку робусност и допринос обртном моменту, али захтевају прецизно постављање магнета да би се избегло отказивање флукса. Одабир погрешне архитектуре ротора или оријентације магнета смањује ефикасност мотора за 5-12% у типичним индустријским апликацијама погона. Следећи инжењерски водич упоређује СПМ и ИПМ дизајн, објашњава ефекте смера магнетизације на излазни обртни момент и показује како ФЕА оптимизује нагиб полова.

СПМ ротори имају магнете везане или задржане на спољном ободу ротора. Овај дизајн нуди велику ефективну површину ваздушног распора, производећи висок магнетни флукс по запремини магнета. СПМ је пожељан за апликације са великом-густином обртног момента као што су серво мотори и ветротурбине са директним{3}}погоном. Међутим, центрифугална сила при високим обртајима (изнад 10.000 о/мин) може да одвоји површинске магнете осим ако се не примењују навлаке од угљеничних влакана или инконел прстенови за задржавање.

ИПМ ротори уграђују магнете у слој ротора. Магнети су механички заштићени од центрифугалних сила, што ИПМ чини погодним за-моторе велике брзине (15.000-20.000 о/мин). Додатно, роторско гвожђе између магнета ствара релуктантни обртни момент због разлика у индуктивности Лд и Лк, побољшавајући укупни излазни обртни момент за 20-35% у поређењу са СПМ-ом исте запремине магнета. Компромис: ИПМ склоп је сложенији, захтева прецизно пуњење прореза и импрегнацију епоксидом како би се спречило померање магнета под термичким циклусом.

Магнетно цурење смањује ефективни флукс који прелази ваздушни зазор. У СПМ роторима, цурење се првенствено дешава кроз гвожђе ротора са задње стране ако је растојање магнета-од-позади-гвожђа премало. Минимална дебљина задњег гвожђа од 5-8 мм за пречник ротора од 50 мм је типична да задржи цурење испод 5% укупног флукса.

У ИПМ роторима, путеви цурења су сложенији: флукс може да дође до кратког-споја између суседних магнетних слотова кроз мостове ротора. Дебљина моста мора бити оптимизована: мост тањи од 1,5 мм за стог од 30 мм ризикује механички лом, али мост дебљи од 2,5 мм повећава цурење за 10-15%. За проналажење баланса потребна је ФЕА симулација. Наш стандардни ИПМ дизајн циља на коефицијент цурења (σ) од 1,2-1,3.

Правац магнетизације у односу на површину ротора дефинише путању флукса. За СПМ роторе, радијална магнетизација (магнетни вектор усмерен ка споља дуж радијуса ротора) је стандардна, стварајући синусоидни повратни-ЕМФ. Међутим, паралелна магнетизација (сви вектори паралелни један са другим) ствара трапезоидну расподелу флукса, што повећава таласање обртног момента за 8-12%, али може побољшати вршни обртни момент за 5-7% у несинусоидним погонима.

За ИПМ роторе, правац магнетизације може бити паралелан са к-осом (поравнање баријере флукса) или В-облик са углом од 20-30 степени. ИПМ ротори у облику слова В- са углом магнета од 120-130 степени дају највећи допринос релуктентности обртног момента, побољшавајући ефикасност при делимичним оптерећењима. Вишеполна магнетизација (8-полна, 12-полна, 16-полна) смањује дебљину јарма статора, али повећава сложеност монтаже магнета. За дату величину оквира, повећање броја стубова са 8 на 16 смањује тежину задњег гвожђа за приближно 30%, али захтева 0,2-0,3 мм чвршће толеранције монтаже.

Корак полова (угаона ширина сваког магнета у односу на полни лук) одређује облик расподеле флукса. Претерано широк нагиб полова смањује размак између суседних полова, повећавајући цурење флукса. Претерано узак корак полова смањује укупни флукс. Оптимални нагиб полова за површински-монтиране НдФеБ магнете је обично 70-80% полова.

Користећи магнетну симулацију анализе коначних елемената (ФЕА), процењујемо:

Густина флукса при називном оптерећењу наспрам преоптерећења (2к струја)

Ризик од демагнетизације на максималној температури (користећи смањење вредности Хцј)

Амплитуда обртног момента зупчаника (циљ < 3% номиналног обртног момента за серво моторе)

Пружамо клијентима ФЕА извештаје укључујући графиконе линија флукса, хармонике густине флукса у ваздушном јазу (ФФТ анализа) и криве углова обртног момента{0}}. Ови подаци омогућавају произвођачима мотора да финализирају дизајн намотаја статора и ламинације пре израде алата.

За произвођаче ПМСМ ротора који захтевају прилагођене облике магнета (лучни сегменти, трапезоидне блокове) или комплетне магнетне склопове са претходно-апликацијом лепка, погледајте нашу страницу Склоп магнета ротора на нашој веб страници. Подржавамо обрасце магнетизације укључујући синусоидно, халбахово и сегментирано кошење да бисмо смањили таласање обртног момента.

Да бисте разговарали о спецификацијама вашег мотора – укључујући називну брзину, температуру околине и циљну класу ефикасности (ИЕ4/ИЕ5) – контактирајте наш технички тим. Пружамо избор разреда (Н35УХ, Н42СХ, Н48Х) и ФЕА валидацију демагнетизације.

П: Како да бирам између СПМ и ИПМ дизајна ротора за индустријски серво мотор од 10 кВ?
О: За брзине испод 6000 обртаја у минути и ниског таласа обртног момента, СПМ са Н42СХ магнетима је исплатив-. За брзине изнад 8000 о/мин или широк опсег константне снаге, изаберите ИПМ са Н35УХ магнетима да бисте избегли-одвајање магнета велике брзине.

П: Која је типична варијација дебљине магнета дозвољена у склопу ПМСМ ротора?
О: Толеранција дебљине: ±0,05 мм за СПМ сегменте, ±0,03 мм за ИПМ уметке. Веће варијације изазивају асиметрију ваздушног зазора, повећавајући неуравнотежено магнетно повлачење и вибрације.

П: Можете ли набавити магнетне склопове са епоксидним премазом за заштиту од корозије у ИПМ роторима?
О: Да. На сваки магнет наносимо Ни-Цу-Ни (10-20μм) или епоксид (20-40μм). За ИПМ роторе, епоксидни премаз дебљине 100-200 μм на ивицама магнета побољшава пуњење прореза и спречава проводљиви контакт између магнета и ламинације.