Благодаря своей компактности и высокой удельной мощности крутящего момента, синхронные двигатели с постоянными магнитами широко используются во многих промышленных приложениях, особенно в высокопроизводительных приводных системах, таких как силовые установки подводных лодок. Синхронные двигатели с постоянными магнитами не требуют использования контактных колец для возбуждения, что снижает затраты на техническое обслуживание ротора и износ. Синхронные двигатели с постоянными магнитами обладают высокой эффективностью и подходят для высокопроизводительных приводных систем, таких как станки с ЧПУ, роботы и автоматизированные производственные системы в промышленности.

Как правило, при проектировании и изготовлении синхронных двигателей с постоянными магнитами должны учитываться конструкции как статора, так и ротора, чтобы получить высокопроизводительные двигатели.

Конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами

Плотность потока в воздушном зазоре: определяется в соответствии с конструкцией асинхронных двигателей и т. д., конструкцией ротора с постоянными магнитами и особыми требованиями к использованию коммутируемых обмоток статора. Кроме того, предполагается, что статор представляет собой статор с прорезями. Плотность потока в воздушном зазоре ограничивается насыщением сердечника статора. В частности, пиковая плотность потока ограничена шириной зуба, а задняя часть статора определяет максимальный общий поток.

Кроме того, допустимый уровень насыщения зависит от приложения. Как правило, двигатель с высоким КПД имеет низкую магнитную индукцию, в то время как двигатель, рассчитанный на максимальную плотность крутящего момента, имеет высокую магнитную индукцию. Пиковая плотность потока в воздушном зазоре обычно находится в диапазоне 0.7–1.1 Тесла. Обратите внимание, что это полная плотность потока, которая является суммой потоков ротора и статора. Это означает, что чем меньше сила реакции якоря, тем выше центрирующий момент.

Однако для достижения большого вклада реактивного крутящего момента сила реакции статора должна быть большой. Параметры машины показывают, что в основном требуется большое значение m и малая индуктивность L для получения выравнивающего момента. Как правило, это подходит для работы ниже базовой скорости, поскольку высокая индуктивность снижает коэффициент мощности.

Материал постоянного магнита:

Магниты играют важную роль во многих устройствах, поэтому важно улучшать свойства этих материалов, и в настоящее время внимание сосредоточено на материалах на основе редкоземельных и переходных металлов для получения постоянных магнитов с высокими магнитными свойствами. В зависимости от технологии магниты имеют разные магнитные и механические свойства и обладают разной коррозионной стойкостью.

Магниты из неодима, железа, бора (Nd2Fe14B) и самария-кобальта (Sm1Co5 и Sm2Co17) на сегодняшний день являются наиболее передовыми коммерческими материалами для постоянных магнитов. В каждом классе редкоземельных магнитов существует множество сортов. Магниты NdFeB начали продаваться в начале 1980-х годов. Они широко используются сегодня во многих различных приложениях. Стоимость этого магнитного материала (в пересчете на продукт энергии) сравнима со стоимостью ферритовых магнитов, а в пересчете на килограмм магниты NdFeB стоят примерно в 10–20 раз дороже, чем ферритовые магниты.

Некоторыми важными свойствами, используемыми для сравнения постоянных магнитов, являются остаточная намагниченность (Mr), которая измеряет силу магнитного поля постоянного магнита, коэрцитивная сила (Hcj), способность материала сопротивляться размагничиванию, произведение энергии (BHmax), плотность магнитной энергии; Температура Кюри (TC), температура, при которой материал теряет свой магнетизм. Неодимовые магниты имеют более высокую остаточную намагниченность, более высокую коэрцитивную силу и энергетическое произведение, но, как правило, типы с более низкой температурой Кюри, неодим и тербий, а также диспрозий, чтобы сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах.

Конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами

В конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) конструкция ротора с постоянными магнитами основана на корпусе статора трехфазного асинхронного двигателя без изменения геометрии статора и обмоток. Технические характеристики и геометрия включают скорость двигателя, частоту, количество полюсов, длину статора, внутренний и внешний диаметры и количество пазов ротора. Конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами включает потери в меди, противоэлектродвижущую силу, потери в железе и собственную индуктивность, взаимную индуктивность, магнитный поток, сопротивление статора и т. д.

Расчет собственной и взаимной индуктивности:

Индуктивность L можно определить как отношение потокосцепления к току I, который создает поток в генри (Гн), равный Веберу на ампер. Индуктор — это устройство, используемое для хранения энергии в магнитном поле, аналогично тому, как конденсатор накапливает энергию в электрическом поле. Индуктор обычно состоит из катушки, обычно намотанной на ферритовый или ферромагнитный сердечник, и значение его индуктивности связано только с физической структурой проводника и проницаемостью материала, через который проходит магнитный поток.

Шаги для нахождения индуктивности следующие: 1. Предположим, что в проводнике есть ток I. 2. Используйте закон Био-Савара или петлевой закон Ампера (если имеется), чтобы определить, что B достаточно симметричен. 3. Рассчитайте общий поток, соединяющий все контуры. 4. Умножьте общий магнитный поток на количество цепей, чтобы получить потокосцепление, и спроектируйте синхронный двигатель с постоянными магнитами, оценив требуемые параметры.

Исследование показало, что конструкция с использованием NdFeB в качестве материала ротора с постоянным магнитом переменного тока увеличивает магнитный поток, генерируемый в воздушном зазоре, что приводит к уменьшению внутреннего радиуса статора, в то время как внутренний радиус статора с использованием постоянного самария-кобальта материал ротора магнита больше. Результаты показывают, что эффективные потери в меди в NdFeB снижаются на 8.124%. Для кобальта самария как материала постоянного магнита магнитный поток будет синусоидальным изменением. Как правило, при проектировании и изготовлении синхронных двигателей с постоянными магнитами должны учитываться конструкции как статора, так и ротора, чтобы получить высокопроизводительные двигатели.

В заключение

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) — это синхронный двигатель, использующий высокомагнитные материалы для намагничивания. Он обладает такими характеристиками, как высокая эффективность, простая конструкция и лёгкое управление. Этот тип синхронных двигателей с постоянными магнитами находит применение в различных областях, таких как тяговые двигатели, автомобилестроение, робототехника и аэрокосмическая техника. Плотность мощности синхронных двигателей с постоянными магнитами выше, чем у асинхронных двигателей той же мощности, поскольку отсутствует мощность статора, предназначенная для генерации магнитных полей.

В настоящее время конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами требует не только большей мощности, но и меньшей массы и меньших моментов инерции.