PMSM-tehokkuuden maksimointi: Roottorimagneettikokoonpanojen opas

Kestomagneettisynkronimoottoreissa (PMSM) roottorimagneettikokoonpanon kokoonpano vaikuttaa suoraan vääntömomentin aaltoiluun, takaisin{0}}EMF-aaltomuotoon ja kokonaistehokkuuteen. Pinta-asennetut kestomagneettiroottorit (SPM) tarjoavat suuremman ilmavälin vuotiheyden, mutta kärsivät magneettisista vuodoista suurilla nopeuksilla, kun taas sisäpuoliset kestomagneettiroottorit (IPM) tarjoavat mekaanista kestävyyttä ja reluktanssivääntömomenttia, mutta vaativat tarkan magneetin sijoituksen vuon kumoamisen välttämiseksi. Väärän roottoriarkkitehtuurin tai magneettisuunnan valitseminen vähentää moottorin hyötysuhdetta 5-12 % tyypillisissä teollisissa käyttösovelluksissa. Seuraavassa suunnitteluoppaassa verrataan SPM- ja IPM-malleja, selitetään magnetoinnin suunnan vaikutukset vääntömomentin lähtöön ja näytetään, kuinka FEA optimoi napavälin.

SPM-roottoreissa on magneetit, jotka on kiinnitetty tai kiinnitetty roottorin ulkokehälle. Tämä rakenne tarjoaa suuren tehokkaan ilmaraon alueen, joka tuottaa suuren magneettivuon magneettitilavuutta kohti. SPM on suositeltava{2}}korkean vääntömomenttitiheyden sovelluksissa, kuten servomoottoreissa ja suoravetoisissa-tuuliturbiineissa. Keskipakovoima korkealla kierrosluvulla (yli 10 000 rpm) voi kuitenkin irrottaa pintamagneetteja, ellei hiilikuituholkkeja tai Inconel-kiinnitysrenkaita käytetä.

IPM-roottoreissa on magneetteja roottorin laminointipinon sisään. Magneetit on mekaanisesti suojattu keskipakoisvoimilla, joten IPM soveltuu suurinopeisiin vetomoottoreihin (15 000-20 000 rpm). Lisäksi magneettien välinen roottorirauta luo reluktanssivääntömomentin Ld- ja Lq-induktanssieroista johtuen, mikä parantaa kokonaisvääntömomenttia 20-35 % verrattuna saman magneetin tilavuuden SPM:ään. Kompromissi: IPM-kokoonpano on monimutkaisempi, ja se vaatii tarkkaa rakojen täyttämistä ja epoksikyllästystä, jotta magneetti ei pääse liikkumaan lämpökierron aikana.

Magneettinen vuoto vähentää tehokasta ilmaraon ylittävää virtausta. SPM-roottoreissa vuoto tapahtuu ensisijaisesti roottorin takaraudan kautta, jos magneetin---takaisin-raudan etäisyys on liian pieni. Takaosan raudan vähimmäispaksuus 5-8 mm 50 mm:n roottorin halkaisijalla on tyypillistä, jotta vuoto pysyy alle 5 %:ssa kokonaisvuosta.

IPM-roottoreissa vuotoreitit ovat monimutkaisempia: vuo voi oikosulua{0}} vierekkäisten magneettirakojen välillä roottorisiltojen kautta. Sillan paksuus on optimoitava: alle 1,5 mm ohuempi silta 30 mm:n pinossa vaarantaa mekaanisen murtumisen, mutta yli 2,5 mm:n silta lisää vuotoa 10-15 %. FEA-simulaatio tarvitaan tasapainon löytämiseksi. Standardi IPM-suunnittelumme tavoitteena on vuotokerroin (σ) 1,2-1,3.

Magnetisointisuunta suhteessa roottorin pintaan määrittää vuopolun. SPM-roottoreissa radiaalinen magnetointi (magneettivektori osoittaa ulospäin roottorin sädettä pitkin) on vakiona, mikä tuottaa sinimuotoisen takaisin-EMF:n. Rinnakkaismagnetointi (kaikki vektorit rinnakkain) kuitenkin luo puolisuunnikkaan vuojakauman, joka lisää vääntömomentin aaltoilua 8-12 %, mutta voi parantaa vääntömomenttihuippua 5-7 % ei-sinimuotoisissa käytöissä.

IPM-roottoreissa magnetointisuunta voi olla q--akselin suuntainen (vuon esteen kohdistus) tai V--muotoinen 20-30 asteen kulmassa. V-muotoiset IPM-roottorit, joiden magneettikulma on 120–130 astetta, tuottavat suurimman reluktanssin vääntömomentin, mikä parantaa tehokkuutta osittaisilla kuormituksilla. Moninapainen magnetointi (8-napainen, 12-napainen, 16-napainen) vähentää staattorin ikeen paksuutta, mutta lisää magneettikokoonpanon monimutkaisuutta. Tietylle runkokoolle napojen lukumäärän lisääminen 8:sta 16:een vähentää raudan takapainoa noin 30 %, mutta vaatii 0,2–0,3 mm tiukemmat kokoonpanotoleranssit.

Napaväli (kunkin magneetin kulman leveys suhteessa napakaariin) määrittää vuon jakautumisen muodon. Liian leveä napaväli pienentää vierekkäisten napojen välistä rakoa, mikä lisää vuovuotoa. Liian kapea napaväli vähentää kokonaisvirtausta. Pinta-asennettujen NdFeB-magneettien optimaalinen napaväli on tyypillisesti 70-80 % napakaaresta.

Elementtianalyysin (FEA) magneettisen simuloinnin avulla arvioimme:

Vuon tiheys nimelliskuormalla vs. ylikuormitus (2x virta)

Demagnetisoitumisriski maksimilämpötilassa (käyttämällä Hcj-vähennystä)

Vääntömomentin amplitudi (tavoite < 3 % nimellisvääntömomentista servomoottoreille)

Tarjoamme asiakkaillemme FEA-raportteja, jotka sisältävät vuoviivakaaviot, ilmavälin vuotiheyden harmoniset (FFT-analyysit) ja vääntömomentti{0}}kulmakäyrät. Näiden tietojen avulla moottorinvalmistajat voivat viimeistellä staattorin käämityksen ja laminoinnin suunnittelun ennen työkaluja.

PMSM-roottorien valmistajat, jotka tarvitsevat mukautettuja magneettimuotoja (kaarisegmenttejä, puolisuunnikkaan muotoisia lohkoja) tai täydellisiä magneettikokoonpanoja, joissa on esiliimaa-, katso Roottorimagneettikokoonpano-sivumme verkkosivustollamme. Tuemme magnetointikuvioita, mukaan lukien sinimuotoinen, Halbach ja segmentoitu vino vääntömomentin aaltoilun vähentämiseksi.

Ota yhteyttä tekniseen tiimiimme keskustellaksesi moottorisi tiedoista – mukaan lukien nimellisnopeus, ympäristön lämpötila ja tavoitetehokkuusluokka (IE4/IE5). Tarjoamme laadunvalinnan (N35UH, N42SH, N48H) ja FEA-demagnetoinnin validoinnin.

K: Kuinka valitsen SPM- tai IPM-roottorimallin välillä 10 kW:n teollisuusservomoottorille?
V: Alle 6 000 rpm:n nopeuksilla ja alhaisella vääntömomentin aaltoiluvaatimuksella SPM N42SH-magneeteilla on kustannus-tehokas. Valitse yli 8000 rpm:n nopeuksille tai laajalle vakiotehoalueelle IPM N35UH-magneeteilla välttääksesi nopean-magneetin irtoamisen.

K: Mikä on tyypillinen magneetin paksuuden vaihtelu PMSM-roottorikokoonpanossa?
V: Paksuustoleranssi: ±0,05 mm SPM-segmenteille, ±0,03 mm IPM-osille. Suurempi vaihtelu aiheuttaa ilmaraon epäsymmetriaa, mikä lisää epätasapainoista magneettista vetoa ja tärinää.

K: Voitko toimittaa magneettikokoonpanoja epoksipinnoitteella korroosiosuojaukseen IPM-roottoreissa?
V: Kyllä. Levitämme Ni-Cu-Ni:tä (10-20μm) tai epoksia (20-40μm) jokaiseen magneetiin. IPM-roottoreissa epoksipinnoite, jonka paksuus on 100-200 μm magneetin reunoilla, parantaa raon täyttöä ja estää johtavan kosketuksen magneetin ja laminoinnin välillä.