Silniki z magnesami trwałymi zwiększają wydajność i precyzję przemysłową

Silniki elektryczne napędzają krwioobieg nowoczesnego przemysłu, a wśród nich silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) wyłaniają się jako doskonałe rozwiązanie w wielu sektorach. Jakie korzyści oferują w porównaniu z tradycyjnymi silnikami? Jakie pomysłowe konstrukcje kryją się w ich strukturze? Jakie unikalne strategie sterowania sprawiają, że się wyróżniają? Ten artykuł zawiera kompleksową analizę struktury PMSM, zasad działania, metod sterowania i zastosowań.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM) to rodzaj silnika synchronicznego, w którym pole magnetyczne wzbudzenia jest dostarczane przez magnesy trwałe. W porównaniu z tradycyjnymi silnikami synchronicznymi wzbudzanymi elektrycznie, PMSM eliminują potrzebę dodatkowych uzwojeń wzbudzenia i źródeł zasilania, co skutkuje bardziej zwartą strukturą i wyższą wydajnością. W porównaniu z silnikami indukcyjnymi, PMSM oferują wyższą gęstość mocy, stosunek momentu obrotowego do bezwładności i precyzję sterowania, co czyni je idealnymi do wysokowydajnych napędów serwo, pojazdów elektrycznych, wytwarzania energii wiatrowej i innych zastosowań.

PMSM składają się głównie z dwóch części: stojana i wirnika. Chociaż ich podstawowa struktura przypomina konwencjonalne silniki synchroniczne, konstrukcja wirnika stanowi ich kluczową innowację.

Stojan, nieruchomy element PMSM, składa się głównie z rdzenia stojana i uzwojeń stojana. Rdzeń stojana jest zwykle laminowany z blach ze stali krzemowej, aby zminimalizować straty żelaza. Uzwojenia stojana są osadzone w szczelinach rdzenia stojana, tworząc wielofazowe uzwojenia AC, przy czym najczęściej występują konfiguracje dwufazowe i trójfazowe. W oparciu o rozkład uzwojeń, uzwojenia stojana można podzielić na:

Uzwojenia rozproszone charakteryzują się wieloma szczelinami na biegun na fazę (Q=2,3,...k). Ich zaletą jest skuteczne tłumienie wyższych harmonicznych i poprawa wydajności silnika, chociaż złożoność produkcji wzrasta.

Uzwojenia skupione wykorzystują jedną szczelinę na biegun na fazę (Q=1). Chociaż są prostsze w produkcji, generują wyższą zawartość harmonicznych, wymagając dodatkowych środków do tłumienia harmonicznych.

Wirnik, obracający się element, zawiera magnesy trwałe jako kluczową innowację. W oparciu o rozmieszczenie magnesów, PMSM są klasyfikowane jako:

W SPMSM magnesy są montowane bezpośrednio na powierzchni wirnika. Ta konstrukcja wytwarza prawie sinusoidalne pola magnetyczne w szczelinie powietrznej i upraszcza projektowanie parametrów indukcyjności, ale charakteryzuje się niższą wytrzymałością mechaniczną i podatnością magnesów na wpływy szczeliny powietrznej.

IPMSM osadzają magnesy wewnątrz wirnika, oferując doskonałą wytrzymałość mechaniczną i możliwość wykorzystania momentu reluktancyjnego w celu zwiększenia gęstości momentu obrotowego. Istnieją różne wewnętrzne konfiguracje magnesów, w tym układy jednowarstwowe, wielowarstwowe i typu V.

Dalsza klasyfikacja w oparciu o współczynnik występowania biegunów dzieli PMSM na:

• PMSM z biegunami wystającymi: Gdzie indukcyjność osi prostej (Ld) różni się od indukcyjności osi poprzecznej (Lq).
• PMSM z biegunami niewystającymi: Gdzie Ld równa się Lq.

PMSM działają poprzez interakcję między obracającym się polem magnetycznym stojana a polem magnesu trwałego wirnika. Gdy symetryczny wielofazowy prąd AC przepływa przez uzwojenia stojana, generuje obracające się pole magnetyczne. Pole magnesu trwałego wirnika synchronizuje się z tym obracającym się polem, wytwarzając moment obrotowy, który napędza obrót. Działanie synchroniczne występuje, gdy prędkość wirnika odpowiada prędkości obrotowej pola stojana.

Podobnie jak w silnikach indukcyjnych, trójfazowy prąd AC w uzwojeniach stojana PMSM tworzy obracające się pole magnetyczne. Prędkość obrotowa pola zależy od częstotliwości zasilania i par biegunów stojana:

n = 60f / p

Gdzie n to prędkość obrotowa (obr./min), f to częstotliwość (Hz), a p to liczba par biegunów.

Interakcja między polami magnesów trwałych wirnika a obracającymi się polami stojana wytwarza moment elektromagnetyczny. Wielkość momentu obrotowego zależy od siły pola, ich relacji kątowej i parametrów konstrukcyjnych silnika. SPMSM generują przede wszystkim moment obrotowy magnesu trwałego, podczas gdy IPMSM wytwarzają zarówno moment obrotowy magnesu trwałego, jak i moment reluktancyjny ze względu na ich konstrukcję z biegunami wystającymi.

Sterowanie PMSM ma na celu precyzyjną regulację prędkości, momentu obrotowego i położenia. Biorąc pod uwagę ich nieliniowy, silnie sprzężony charakter, sterowanie PMSM stwarza unikalne wyzwania. Typowe podejścia do sterowania obejmują:

Ta prosta metoda kontroluje prędkość silnika, utrzymując stały stosunek napięcia do częstotliwości. Chociaż jest opłacalna, oferuje ograniczoną precyzję i wydajność dynamiczną, co sprawia, że ​​nie nadaje się do zastosowań o wysokiej wydajności.

Ta zaawansowana technika rozkłada prąd stojana na składowe wzbudzenia i momentu obrotowego w celu niezależnego sterowania. FOC zapewnia wysoką precyzję i reakcję dynamiczną, ale wymaga złożonych algorytmów obejmujących transformacje współrzędnych i identyfikację parametrów.

Wykorzystując strumień wirnika jako odniesienie, metoda ta rozkłada prąd stojana na składowe osi d i osi q w celu oddzielnego sterowania wzbudzeniem i momentem obrotowym, umożliwiając szybką reakcję momentu obrotowego, ale wymagając precyzyjnych danych o położeniu wirnika.

Ta odmiana wykorzystuje strumień stojana jako odniesienie, eliminując bezpośrednią zależność od położenia wirnika, ale zwiększając złożoność algorytmiczną.

DTC bezpośrednio reguluje moment obrotowy, kontrolując wektory napięcia stojana, aby dopasować odniesienie momentu obrotowego i wartości strumienia. Chociaż jest strukturalnie proste z doskonałą dynamiką, wytwarza znaczne tętnienia momentu obrotowego, wymagające środków łagodzących.

Eliminacja czujników położenia zmniejsza koszty i złożoność. Typowe techniki bezczujnikowe obejmują:

Metoda ta szacuje położenie wirnika na podstawie obserwacji EMF wstecznego, ale ma trudności przy niskich prędkościach ze względu na małe amplitudy sygnału podatne na zakłócenia.

Poprzez wstrzykiwanie sygnałów wysokiej częstotliwości i monitorowanie zmian indukcyjności spowodowanych efektami występowania biegunów, podejście to sprawdza się dobrze w przypadku IPMSM, ale wymaga wyższych częstotliwości przełączania.

Używane do PMSM z trapezowym EMF wstecznym, ta prosta metoda wytwarza znaczne tętnienia momentu obrotowego. Implementacje w pętli zamkniętej wymagają czujników Halla do sprzężenia zwrotnego położenia.

W porównaniu z tradycyjnymi silnikami indukcyjnymi, PMSM oferują:

Eliminacja prądu wzbudzenia zmniejsza straty, szczególnie zauważalne przy małych obciążeniach. Badania pokazują, że PMSM osiągają około 2% wyższą wydajność niż silniki indukcyjne o wysokiej sprawności (IE3) w porównywalnych warunkach.

Magnesy trwałe o wysokiej energii umożliwiają silniejsze pola magnetyczne w kompaktowych wymiarach, zapewniając więcej mocy na jednostkę objętości.

Kompaktowe konstrukcje wirników o niskiej bezwładności ułatwiają szybkie uruchamianie i zatrzymywanie oraz przyspieszanie, zwiększając reakcję dynamiczną.

Zaawansowane metody sterowania, takie jak FOC i DTC, umożliwiają precyzyjną regulację prędkości, momentu obrotowego i położenia, spełniając wymagania wymagających zastosowań serwo.

PMSM wyróżniają się w różnych dziedzinach:

Idealne do systemów napędowych EV, PMSM poprawiają zasięg i przyspieszenie. Główni producenci, tacy jak Tesla i BYD, przyjęli tę technologię.

Turbiny wiatrowe z PMSM z bezpośrednim napędem eliminują przekładnie, zmniejszając straty mechaniczne i konserwację, jednocześnie poprawiając niezawodność w trudnych warunkach.

Jako podstawowe komponenty w wysokowydajnych systemach serwo, PMSM spełniają wysokie wymagania robotów przemysłowych i obrabiarek CNC.

Szeroko stosowane w klimatyzatorach inwerterowych, pralkach i lodówkach, PMSM zwiększają efektywność energetyczną, jednocześnie redukując hałas i wydłużając żywotność.

Dzięki doskonałej wydajności, gęstości mocy i precyzji sterowania, PMSM stanowią znaczący postęp w technologii silników. W miarę jak materiały magnesów trwałych i algorytmy sterowania będą się rozwijać, zastosowania będą się dalej rozszerzać na mobilność elektryczną, inteligentną produkcję i lotnictwo. Trwające badania nad konstrukcją silników, strategiami sterowania i technikami bezczujnikowymi obiecują napędzać ciągły rozwój PMSM.