Tối đa hóa hiệu quả PMSM: Hướng dẫn lắp ráp nam châm rôto

Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), cấu hình cụm nam châm rôto tác động trực tiếp đến gợn sóng mô-men xoắn, dạng sóng EMF ngược và hiệu suất tổng thể. Rôto nam châm vĩnh cửu (SPM) gắn trên bề mặt mang lại mật độ từ thông khe hở không khí cao hơn nhưng bị rò rỉ từ tính ở tốc độ cao, trong khi rôto nam châm vĩnh cửu (IPM) bên trong mang lại độ bền cơ học và đóng góp mô-men xoắn từ trở nhưng yêu cầu vị trí nam châm chính xác để tránh triệt tiêu từ thông. Việc chọn sai cấu trúc rôto hoặc hướng nam châm sẽ làm giảm hiệu suất động cơ từ 5-12% trong các ứng dụng truyền động công nghiệp điển hình. Hướng dẫn kỹ thuật sau đây so sánh các thiết kế SPM và IPM, giải thích tác động của hướng từ hóa lên đầu ra mô-men xoắn và chỉ ra cách FEA tối ưu hóa bước cực.

Rôto SPM có nam châm được liên kết hoặc giữ lại trên chu vi bên ngoài rôto. Thiết kế này cung cấp một diện tích khe hở không khí hiệu quả lớn, tạo ra từ thông cao trên mỗi thể tích nam châm. SPM được ưu tiên cho các ứng dụng có mật độ mô-men xoắn-cao chẳng hạn như động cơ servo và tua-bin gió truyền động trực tiếp-. Tuy nhiên, lực ly tâm ở tốc độ RPM cao (trên 10.000 vòng/phút) có thể làm bong nam châm bề mặt trừ khi sử dụng ống bọc bằng sợi carbon hoặc vòng giữ Inconel.

Rôto IPM nhúng nam châm bên trong ngăn xếp rôto. Các nam châm được bảo vệ cơ học khỏi lực ly tâm, giúp IPM phù hợp với-động cơ kéo tốc độ cao (15.000-20.000 vòng/phút). Ngoài ra, sắt rôto giữa các nam châm tạo ra mô-men xoắn từ trở do chênh lệch độ tự cảm Ld và Lq, cải thiện công suất mô-men xoắn tổng thể lên 20-35% so với SPM của cùng một thể tích nam châm. Sự đánh đổi: Việc lắp ráp IPM phức tạp hơn, đòi hỏi phải lấp đầy khe chính xác và tẩm epoxy để ngăn nam châm chuyển động trong chu trình nhiệt.

Rò rỉ từ tính làm giảm dòng điện hiệu quả đi qua khe hở không khí. Trong rôto SPM, sự rò rỉ chủ yếu xảy ra thông qua sắt phía sau rôto nếu khoảng cách từ-đến{2}}mặt sau-của nam châm quá nhỏ. Độ dày sắt phía sau tối thiểu là 5-8mm đối với đường kính rôto 50mm là điển hình để giữ rò rỉ dưới 5% tổng lượng từ thông.

Trong rô-to IPM, đường dẫn rò rỉ phức tạp hơn: từ thông có thể làm đoản mạch-giữa các khe nam châm liền kề thông qua cầu rô-to. Độ dày cầu phải được tối ưu hóa: cầu mỏng hơn 1,5 mm đối với ống khói 30 mm có nguy cơ bị gãy cơ học, nhưng cầu dày hơn 2,5 mm sẽ làm tăng rò rỉ từ 10-15%. Cần phải mô phỏng FEA để tìm sự cân bằng. Thiết kế IPM tiêu chuẩn của chúng tôi hướng tới hệ số rò rỉ (σ) là 1,2-1,3.

Hướng từ hóa so với bề mặt rôto xác định đường từ thông. Đối với rôto SPM, từ hóa hướng tâm (vectơ từ hướng ra ngoài dọc theo bán kính rôto) là tiêu chuẩn, tạo ra EMF ngược hình sin-. Tuy nhiên, từ hóa song song (tất cả các vectơ song song với nhau) tạo ra sự phân bố từ thông hình thang, làm tăng gợn sóng mô-men xoắn lên 8-12% nhưng có thể cải thiện mô-men xoắn cực đại thêm 5-7% trong các bộ truyền động không hình sin.

Đối với rôto IPM, hướng từ hóa có thể song song với trục q- (căn chỉnh hàng rào từ thông) hoặc hình chữ V- với góc 20-30 độ. Rô-to IPM hình chữ V-có góc nam châm 120-130 độ tạo ra sự đóng góp mô-men xoắn từ trở cao nhất, nâng cao hiệu quả khi tải một phần. Từ hóa đa cực (8 cực, 12 cực, 16 cực) làm giảm độ dày gông stato nhưng làm tăng độ phức tạp của cụm nam châm. Đối với một kích thước khung nhất định, việc tăng số cực từ 8 lên 16 sẽ giảm trọng lượng của sắt phía sau khoảng 30% nhưng yêu cầu dung sai lắp ráp chặt hơn 0,2-0,3mm.

Bước cực (độ rộng góc của mỗi nam châm so với cung cực) xác định hình dạng phân bố từ thông. Khoảng cách cực quá rộng làm giảm khoảng cách giữa các cực liền kề, làm tăng rò rỉ từ thông. Khoảng cách cực quá hẹp làm giảm tổng thông lượng. Bước cực tối ưu cho nam châm NdFeB gắn trên bề mặt thường là 70-80% cung cực.

Sử dụng mô phỏng từ tính phân tích phần tử hữu hạn (FEA), chúng tôi đánh giá:

Mật độ từ thông ở tải định mức so với quá tải (dòng điện gấp 2 lần)

Rủi ro khử từ ở nhiệt độ tối đa (sử dụng mức giảm Hcj)

Biên độ mô-men xoắn (mục tiêu < 3% mô-men xoắn định mức cho động cơ servo)

Chúng tôi cung cấp cho khách hàng các báo cáo FEA bao gồm biểu đồ đường thông lượng, sóng hài mật độ thông lượng khe hở không khí (phân tích FFT) và đường cong góc-mô-men xoắn. Dữ liệu này cho phép các nhà sản xuất động cơ hoàn thiện thiết kế cuộn dây và cán mỏng stato trước khi chế tạo dụng cụ.

Đối với các nhà sản xuất rôto PMSM yêu cầu hình dạng nam châm tùy chỉnh (đoạn cung, khối hình thang) hoặc cụm nam châm hoàn chỉnh có ứng dụng-chất kết dính trước, vui lòng tham khảo trang Lắp ráp nam châm rôto trên trang web của chúng tôi. Chúng tôi hỗ trợ các mẫu từ hóa bao gồm hình sin, Halbach và độ lệch phân đoạn để giảm gợn sóng mô-men xoắn.

Để thảo luận về thông số kỹ thuật động cơ của bạn – bao gồm tốc độ định mức, nhiệt độ môi trường và cấp hiệu suất mục tiêu (IE4/IE5) – hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi. Chúng tôi cung cấp lựa chọn cấp độ (N35UH, N42SH, N48H) và xác nhận khử từ FEA.

Câu hỏi: Làm cách nào để chọn giữa thiết kế rôto SPM và IPM cho động cơ servo công nghiệp 10kW?
Đáp: Đối với tốc độ dưới 6000 vòng/phút và yêu cầu độ gợn sóng mô-men xoắn thấp, SPM có nam châm N42SH sẽ có hiệu quả về mặt chi phí. Đối với tốc độ trên 8000 vòng/phút hoặc dải công suất không đổi rộng, hãy chọn IPM có nam châm N35UH để tránh hiện tượng nam châm-tốc độ cao bị bong ra.

Câu hỏi: Sự thay đổi độ dày nam châm điển hình được phép trong cụm rôto PMSM là gì?
A: Dung sai độ dày: ±0,05mm đối với phân đoạn SPM, ±0,03mm đối với phần chèn IPM. Sự biến đổi lớn hơn gây ra sự bất đối xứng của khe hở không khí, làm tăng lực kéo và độ rung từ tính không cân bằng.

Hỏi: Bạn có thể cung cấp các cụm nam châm có lớp phủ epoxy để bảo vệ chống ăn mòn trong rôto IPM không?
Đ: Vâng. Chúng tôi phủ Ni-Cu-Ni (10-20μm) hoặc epoxy (20-40μm) lên mỗi nam châm. Đối với rôto IPM, lớp phủ epoxy có độ dày 100-200μm trên các cạnh nam châm giúp cải thiện khả năng lấp đầy khe và ngăn chặn sự tiếp xúc dẫn điện giữa nam châm và lớp cán.