به حداکثر رساندن کارایی PMSM: راهنمای مجموعه های آهنربایی روتور

برای موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM)، پیکربندی مجموعه آهنربای روتور مستقیماً بر امواج گشتاور، شکل موج برگشتی-EMF و راندمان کلی تأثیر می‌گذارد. روتورهای آهنربای دائم نصب شده سطحی (SPM) چگالی شار شکاف هوای بالاتری را ارائه می‌کنند اما در سرعت‌های بالا از نشت مغناطیسی رنج می‌برند، در حالی که روتورهای آهنربای دائم داخلی (IPM) استحکام مکانیکی و سهم گشتاور عدم تمایل را فراهم می‌کنند اما برای جلوگیری از لغو شار نیاز به قرارگیری دقیق آهنربا دارند. انتخاب نامناسب ساختار روتور یا جهت گیری آهنربایی، راندمان موتور را 5 تا 12 درصد در کاربردهای درایو صنعتی معمولی کاهش می دهد. راهنمای مهندسی زیر طراحی‌های SPM و IPM را مقایسه می‌کند، اثرات جهت مغناطیسی بر خروجی گشتاور را توضیح می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه FEA گام قطب را بهینه می‌کند.

روتورهای SPM دارای آهنرباهایی هستند که در محیط بیرونی روتور به هم چسبیده یا حفظ شده اند. این طرح یک ناحیه شکاف هوای موثر بزرگ را ارائه می‌کند که شار مغناطیسی بالایی در هر حجم آهنربا ایجاد می‌کند. SPM برای کاربردهای با چگالی گشتاور بالا مانند موتورهای سروو و توربین‌های بادی مستقیم- ترجیح داده می‌شود. با این حال، نیروی گریز از مرکز در RPM بالا (بالاتر از 10000 دور در دقیقه) می تواند آهنرباهای سطح را جدا کند، مگر اینکه از آستین های فیبر کربن یا حلقه های نگهدارنده Inconel استفاده شود.

روتورهای IPM آهن ربا را در پشته لایه لایه روتور تعبیه می کنند. آهنرباها از نظر مکانیکی در برابر نیروهای گریز از مرکز محافظت می شوند و IPM را برای موتورهای کششی با سرعت بالا (15000-20000 دور در دقیقه) مناسب می کند. علاوه بر این، آهن روتور بین آهن‌رباها به دلیل تفاوت‌های القایی Ld و Lq، گشتاور رلکتانسی ایجاد می‌کند و خروجی گشتاور کلی را 20 تا 35 درصد در مقایسه با SPM با همان حجم آهنربا بهبود می‌بخشد. معاوضه: مونتاژ IPM پیچیده تر است و برای جلوگیری از حرکت آهنربا تحت چرخه حرارتی به پر کردن دقیق شکاف و اشباع اپوکسی نیاز دارد.

نشت مغناطیسی شار موثر عبور از شکاف هوا را کاهش می دهد. در روتورهای SPM، در صورتی که فاصله آهنربایی-به{2}}پشت آهن خیلی کم باشد، نشت عمدتاً از طریق آهن پشتی روتور رخ می دهد. حداقل ضخامت آهن پشتی 5-8 میلی‌متر برای قطر روتور 50 میلی‌متری برای حفظ نشت زیر 5 درصد شار کل معمول است.

در روتورهای IPM، مسیرهای نشتی پیچیده‌تر هستند: شار می‌تواند بین شکاف‌های آهنربایی مجاور از طریق پل‌های روتور، مدار کوتاه- داشته باشد. ضخامت پل باید بهینه شود: پل نازک‌تر از 1.5 میلی‌متر برای پشته 30 میلی‌متری خطر شکستگی مکانیکی دارد، اما پل ضخیم‌تر از 2.5 میلی‌متر نشتی را 10 تا 15 درصد افزایش می‌دهد. شبیه سازی FEA برای یافتن تعادل مورد نیاز است. طراحی استاندارد IPM ما ضریب نشت (σ) 1.2-1.3 را هدف قرار می دهد.

جهت مغناطیس نسبت به سطح روتور مسیر شار را مشخص می کند. برای روتورهای SPM، مغناطش شعاعی (بردار مغناطیسی که در امتداد شعاع روتور به سمت بیرون اشاره می‌کند) استاندارد است، که پشتی سینوسی-EMF ایجاد می‌کند. با این حال، مغناطش موازی (همه بردارها موازی با یکدیگر) یک توزیع شار ذوزنقه‌ای ایجاد می‌کند که ریپل گشتاور را 8-12% افزایش می‌دهد اما می‌تواند گشتاور اوج را تا 5-7% در درایوهای غیر سینوسی بهبود بخشد.

برای روتورهای IPM، جهت مغناطیسی می‌تواند موازی با محور q-(هم ترازی مانع شار) یا V-با زاویه 20-30 درجه باشد. روتورهای IPM V شکل با زاویه مغناطیسی 120-130 درجه بیشترین سهم گشتاور رلوکتانسی را ایجاد می‌کنند و کارایی را در بارهای جزئی بهبود می‌بخشند. مغناطش چند قطبی (8 قطبی، 12 قطبی، 16 قطبی) ضخامت یوغ استاتور را کاهش می دهد اما پیچیدگی مونتاژ آهنربا را افزایش می دهد. برای اندازه قاب معین، افزایش تعداد میله ها از 8 به 16 وزن آهن پشتی را تقریباً 30٪ کاهش می دهد، اما به تحمل مونتاژ 0.2 تا 0.3 میلی متر بیشتر نیاز دارد.

گام قطب (عرض زاویه ای هر آهنربا نسبت به قوس قطبی) شکل توزیع شار را تعیین می کند. گام قطب بیش از حد گسترده، شکاف بین قطب های مجاور را کاهش می دهد و نشت شار را افزایش می دهد. گام قطب بسیار باریک، شار کل را کاهش می دهد. گام بهینه قطب برای آهنرباهای NdFeB نصب شده روی سطح معمولاً 70 تا 80 درصد قوس قطب است.

با استفاده از شبیه سازی مغناطیسی تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA)، ارزیابی می کنیم:

چگالی شار در بار نامی در مقابل اضافه بار (جریان ۲ برابر)

خطر مغناطیس زدایی در حداکثر دما (با استفاده از کاهش Hcj)

دامنه گشتاور گیره ای (هدف کمتر از 3 درصد گشتاور نامی برای موتورهای سروو)

ما گزارش‌های FEA شامل نمودارهای خط شار، هارمونیک‌های چگالی شار شکاف هوا (تحلیل FFT) و منحنی‌های زاویه{0}}گشتاور را به مشتریان ارائه می‌کنیم. این داده ها سازندگان موتور را قادر می سازد تا سیم پیچی استاتور و طراحی لمینیت را قبل از ابزارسازی نهایی کنند.

برای سازندگان روتور PMSM که به شکل‌های آهنربایی سفارشی (قسمت‌های قوس، بلوک‌های ذوزنقه‌ای) یا مجموعه‌های آهنربایی کامل با پیش{0}کاربرد چسب نیاز دارند، لطفاً به صفحه مونتاژ آهنربا روتور ما در وب‌سایت ما مراجعه کنید. ما از الگوهای مغناطیسی از جمله سینوسی، هالباخ ​​و شیب قطعه‌ای برای کاهش موج‌های گشتاور پشتیبانی می‌کنیم.

برای بحث در مورد مشخصات موتور خود - از جمله سرعت نامی، دمای محیط و کلاس بازده هدف (IE4/IE5) - با تیم فنی ما تماس بگیرید. ما انتخاب درجه (N35UH، N42SH، N48H) و اعتبار سنجی مغناطیس زدایی FEA را ارائه می دهیم.

س: چگونه بین طراحی روتور SPM و IPM برای سروو موتور صنعتی 10 کیلووات انتخاب کنم؟
پاسخ: برای سرعت های کمتر از 6000 دور در دقیقه و نیاز به موج گشتاور کم، SPM با آهنرباهای N42SH مقرون به صرفه است. برای سرعت‌های بالاتر از 8000 دور در دقیقه یا محدوده توان ثابت گسترده، IPM با آهن‌رباهای N35UH را انتخاب کنید تا از جدا شدن آهنربا با سرعت بالا جلوگیری کنید.

س: تغییر ضخامت آهنربای معمولی مجاز در مجموعه روتور PMSM چیست؟
A: تحمل ضخامت: ± 0.05 میلی متر برای بخش های SPM، ± 0.03 میلی متر برای درج های IPM. تغییرات بیشتر باعث عدم تقارن شکاف هوا، افزایش کشش مغناطیسی نامتعادل و ارتعاش می شود.

س: آیا می توانید مجموعه های آهنربایی را با پوشش اپوکسی برای محافظت در برابر خوردگی در روتورهای IPM تهیه کنید؟
ج: بله. Ni-Cu-Ni (10-20μm) یا اپوکسی (20-40μm) را روی هر آهنربا اعمال می کنیم. برای روتورهای IPM، پوشش اپوکسی با ضخامت 100-200 میکرومتر بر روی لبه های آهنربا، پر شدن شکاف را بهبود می بخشد و از تماس رسانا بین آهنربا و لمینیت جلوگیری می کند.