Максимизация эффективности СДСМ: Руководство по магнитным узлам ротора

Для синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ) конфигурация магнитного узла ротора напрямую влияет на пульсации крутящего момента, форму волны обратной-ЭДС и общий КПД. Роторы с постоянными магнитами (SPM) поверхностного-установки обеспечивают более высокую плотность потока в воздушном зазоре, но страдают от утечки магнитного поля на высоких скоростях, в то время как роторы с внутренними постоянными магнитами (IPM) обеспечивают механическую прочность и реактивный крутящий момент, но требуют точного размещения магнита, чтобы избежать подавления магнитного потока. Выбор неправильной конструкции ротора или ориентации магнита снижает эффективность двигателя на 5–12 % в типичных приложениях промышленного привода. В следующем инженерном руководстве сравниваются конструкции SPM и IPM, объясняется влияние направления намагничивания на выходной крутящий момент и показано, как FEA оптимизирует шаг полюсов.

Роторы SPM имеют магниты, прикрепленные или закрепленные на внешней окружности ротора. Эта конструкция обеспечивает большую эффективную площадь воздушного зазора, создавая высокий магнитный поток на объем магнита. SPM предпочтителен для применений с высокой-плотностью крутящего момента, таких как серводвигатели и ветряные турбины с прямым-приводом. Однако центробежная сила при высоких оборотах (более 10 000 об/мин) может отсоединить поверхностные магниты, если не установлены втулки из углеродного волокна или стопорные кольца из инконеля.

В роторах IPM магниты встроены в пакет пластин ротора. Магниты механически защищены от центробежных сил, что делает IPM пригодным для высокоскоростных-тяговых двигателей (15 000-20 000 об/мин). Кроме того, железо ротора между магнитами создает реактивный крутящий момент из-за разницы индуктивностей Ld и Lq, улучшая общий выходной крутящий момент на 20-35% по сравнению с SPM того же объема магнита. Компромисс: сборка IPM более сложна и требует точного заполнения пазов и пропитки эпоксидной смолой для предотвращения движения магнита при термоциклировании.

Магнитная утечка снижает эффективный поток, пересекающий воздушный зазор. В роторах SPM утечка в основном происходит через заднее железо ротора, если расстояние между магнитом-и-задним-железом слишком мало. Минимальная толщина заднего железа 5-8 мм для диаметра ротора 50 мм является типичной для поддержания утечки ниже 5% от общего потока.

В роторах IPM пути утечки более сложны: поток может вызвать короткое-замыкание между соседними пазами магнитов через мосты ротора. Толщина моста должна быть оптимизирована: мост тоньше 1,5 мм для стопки диаметром 30 мм рискует получить механическое разрушение, а мост толще 2,5 мм увеличивает утечку на 10-15%. Для нахождения баланса необходимо моделирование FEA. Наша стандартная конструкция IPM рассчитана на коэффициент утечки (σ) 1,2–1,3.

Направление намагничивания относительно поверхности ротора определяет путь магнитного потока. Для роторов СЗМ стандартным является радиальное намагничивание (магнитный вектор, направленный наружу вдоль радиуса ротора), создающее синусоидальную обратную-ЭДС. Однако параллельное намагничивание (все векторы параллельны друг другу) создает трапециевидное распределение магнитного потока, что увеличивает пульсации крутящего момента на 8-12 %, но может улучшить пиковый крутящий момент на 5–7 % в несинусоидальных приводах.

Для роторов IPM направление намагничивания может быть параллельно оси q-(выравнивание барьера магнитного потока) или иметь V-образную форму с углом 20-30 градусов. Роторы IPM V-образной формы с углом магнита 120–130 градусов создают наибольший вклад реактивного крутящего момента, повышая эффективность при частичных нагрузках. Многополюсное намагничивание (8-полюсное, 12-полюсное, 16-полюсное) уменьшает толщину ярма статора, но увеличивает сложность сборки магнита. Для данного размера рамы увеличение количества полюсов с 8 до 16 снижает вес задней части примерно на 30%, но требует более жестких допусков при сборке на 0,2–0,3 мм.

Шаг полюсов (угловая ширина каждого магнита относительно полюсной дуги) определяет форму распределения потока. Чрезмерно широкий шаг полюсов уменьшает зазор между соседними полюсами, увеличивая утечку потока. Чрезмерно узкий шаг полюсов снижает общий поток. Оптимальный шаг полюсов для-магнитов NdFeB поверхностного монтажа обычно составляет 70–80 % полюсной дуги.

Используя метод конечных элементов (FEA) магнитного моделирования, мы оцениваем:

Плотность потока при номинальной нагрузке в зависимости от перегрузки (2x ток)

Риск размагничивания при максимальной температуре (с использованием снижения характеристик Hcj)

Амплитуда зубчатого момента (целевое значение < 3 % от номинального крутящего момента для серводвигателей)

Мы предоставляем клиентам отчеты FEA, включая графики линий магнитного потока, гармоники плотности потока в воздушном зазоре (анализ БПФ) и кривые угла крутящего момента-. Эти данные позволяют производителям двигателей завершить разработку обмотки статора и конструкции пластин перед монтажом.

Для производителей роторов PMSM, которым требуются магниты нестандартной формы (дуговые сегменты, трапециевидные блоки) или полные магнитные сборки с предварительным-нанесением клея, посетите страницу "Сборка магнитов ротора" на нашем веб-сайте. Мы поддерживаем схемы намагничивания, включая синусоидальную, Хальбаха и сегментированную, для уменьшения пульсаций крутящего момента.

Чтобы обсудить характеристики вашего двигателя, включая номинальную скорость, температуру окружающей среды и целевой класс эффективности (IE4/IE5), свяжитесь с нашей технической командой. Мы обеспечиваем выбор марки (N35UH, N42SH, N48H) и проверку размагничивания методом FEA.

Вопрос: Как мне выбрать между конструкцией ротора SPM и IPM для промышленного серводвигателя мощностью 10 кВт?
О: Для скоростей ниже 6000 об/мин и требований к низкой пульсации крутящего момента SPM с магнитами N42SH является экономически-эффективным. Для скоростей выше 8000 об/мин или широкого диапазона постоянной мощности выбирайте IPM с магнитами N35UH, чтобы избежать отсоединения магнита на высокой-скорости.

Вопрос: Каково типичное изменение толщины магнита в роторе PMSM?
A: Допуск по толщине: ±0,05 мм для сегментов SPM, ±0,03 мм для вставок IPM. Большие отклонения вызывают асимметрию воздушного зазора, увеличивая несбалансированное магнитное притяжение и вибрацию.

Вопрос: Можете ли вы поставить магнитные сборки с эпоксидным покрытием для защиты от коррозии в роторах IPM?
А: Да. На каждый магнит мы наносим Ni-Cu-Ni (10-20 мкм) или эпоксидную смолу (20-40 мкм). Для роторов IPM эпоксидное покрытие толщиной 100-200 мкм на краях магнита улучшает заполнение пазов и предотвращает проводящий контакт между магнитом и пластиной.