Het regelen van de snelheid van wisselstroommotoren wordt in de meeste gevallen bereikt met behulp van een variabele frequentieaandrijving (VFD). Hoewel in veel scenario's gebruik wordt gemaakt van VFD's met inductiemotoren met statorwikkelingen om een ​​roterend magnetisch veld te genereren, kunnen ze ook een nauwkeurige snelheidsregeling bereiken met behulp van snelheids- of positiefeedbacksensoren als verwijzing naar de VFD.

In sommige situaties is het mogelijk om een ​​relatief nauwkeurige snelheidsregeling te verkrijgen zonder feedbacksensoren. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van een permanentmagneetmotor (PM-motor) en een proces dat de "hoogfrequente signaalinjectiemethode" wordt genoemd.

1. PM-motoren

Een PM-motor is een wisselstroommotor die gebruikmaakt van magneten die in of aan het oppervlak van de rotor zijn ingebed. De magneten worden gebruikt om een ​​constante magnetische flux te genereren, in plaats van dat het statorveld dit moet doen door verbinding te maken met de rotor, zoals het geval is bij een inductiemotor. Een vierde motortype, de line-start PM-motor (LSPM-motor), combineert de eigenschappen van beide motoren. Een LSPM-motor combineert de magneten van een PM-motor in de rotor met de rotorstaven van een kooiankermotor om het koppel en het rendement te maximaliseren.

2. Back-emf-golfvorm

Back-emf is een afkorting voor back-elektromotorische kracht, maar wordt ook wel de tegen-elektromotorische kracht genoemd. De tegenelektromotorische kracht is de spanning die optreedt in elektromotoren wanneer er een relatieve beweging is tussen de statorwikkelingen en het magnetische veld van de rotor. De geometrische eigenschappen van de rotor bepalen de vorm van de back-emf-golfvorm. Deze golfvormen kunnen sinusvormig, trapeziumvormig, driehoekig of iets daartussenin zijn.

Zowel inductie- als PM-machines genereren back-emf-golfvormen. In een inductiemachine zal de back-emf-golfvorm afnemen naarmate het resterende rotorveld langzaam vervalt vanwege het ontbreken van een statorveld. Bij een PM-machine genereert de rotor echter zijn eigen magnetisch veld. Daarom kan er een spanning worden geïnduceerd in de statorwikkelingen wanneer de rotor in beweging is. De back-emf-spanning stijgt lineair met de snelheid en is een cruciale factor bij het bepalen van de maximale bedrijfssnelheid.

3. Het koppel van PM-machines begrijpen

Het koppel van een elektrische machine kan worden opgesplitst in twee componenten: magnetisch koppel en weerstandskoppel. Reluctantiekoppel is de “kracht die op het magnetische materiaal inwerkt en de neiging heeft zich uit te lijnen met de hoofdflux om de terughoudendheid te minimaliseren.” Met andere woorden, het weerstandskoppel is het koppel dat wordt gegenereerd door de uitlijning van de rotoras met het statorfluxveld. Magnetisch koppel is het “koppel dat wordt gegenereerd door de interactie tussen het fluxveld van de magneet en de stroom in de statorwikkeling.”

Reluctantiekoppel: Reluctantiekoppel heeft betrekking op het koppel dat wordt gegenereerd door de uitlijning van de rotor en dat optreedt wanneer het magnetische veld een gewenste directe stroom van de noordelijke statorpool naar de zuidelijke statorpool dwingt.

Magnetisch koppel: Permanente magneten genereren een fluxveld in de rotor. De stator genereert een veld dat interageert met het magnetische veld van de rotor. Het veranderen van de positie van het statorveld ten opzichte van het rotorveld zorgt ervoor dat de rotor verschuift. De verschuiving als gevolg van deze interactie is het magnetische koppel.

4. SPM versus IPM

Een PM-motor kan worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: permanente magneetmotoren aan het oppervlak (SPM) en permanente magneetmotoren aan de binnenkant (IPM). Geen van beide motorontwerptypes bevat rotorstaven. Beide typen genereren magnetische flux door de permanente magneten die aan of in de rotor zijn bevestigd.

SPM-motoren hebben magneten die aan de buitenkant van het rotoroppervlak zijn bevestigd. Door deze mechanische montage is hun mechanische sterkte zwakker dan die van IPM-motoren. De verzwakte mechanische sterkte beperkt de maximale veilige mechanische snelheid van de motor. Bovendien vertonen deze motoren een zeer beperkte magnetische saillantie (Ld ≈ Lq). Inductantiewaarden gemeten aan de rotoraansluitingen zijn consistent, ongeacht de rotorpositie. Vanwege de opvallendheidsratio die bijna één is, vertrouwen SPM-motorontwerpen aanzienlijk, zo niet volledig, op de magnetische koppelcomponent om koppel te produceren.

IPM-motoren hebben een permanente magneet ingebed in de rotor zelf. In tegenstelling tot hun SPM-tegenhangers maakt de locatie van de permanente magneten IPM-motoren mechanisch zeer solide en geschikt voor gebruik op zeer hoge snelheden. Deze motoren worden ook gedefinieerd door hun relatief hoge magnetische saillantieverhouding (Lq > Ld). Vanwege hun magnetische opvallendheid heeft een IPM-motor het vermogen om koppel te genereren door gebruik te maken van zowel de magnetische als de weerstandskoppelcomponenten van de motor.

5. PM-motorconstructies

PM-motorconstructies kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: interieur en oppervlak. Elke categorie heeft zijn subset van categorieën. Bij een PM-motor aan het oppervlak kunnen de magneten op of in het oppervlak van de rotor worden geplaatst, om de robuustheid van het ontwerp te vergroten. De positionering en het ontwerp van een interne permanente magneetmotor kunnen sterk variëren. De magneten van de IPM-motor kunnen als een groot blok worden geplaatst of verspringend worden geplaatst naarmate ze dichter bij de kern komen. Een andere methode is om ze in een spaakpatroon te laten inbedden.

6. Variatie van de inductantie van de PM-motor met belasting

Er kan slechts een bepaalde hoeveelheid flux aan een stuk ijzer worden gekoppeld om koppel te genereren. Uiteindelijk zal het ijzer verzadigen en de flux niet langer laten binden. Het resultaat is een vermindering van de inductantie van het pad dat een fluxveld aflegt. In een PM-machine zullen de inductantiewaarden van de d-as en q-as afnemen naarmate de belastingsstroom toeneemt.

De inductanties van de d- en q-as van een SPM-motor zijn vrijwel identiek. Omdat de magneet zich buiten de rotor bevindt, zal de inductantie van de q-as met dezelfde snelheid afnemen als de inductantie van de d-as. De inductie van een IPM-motor zal echter anders afnemen. Ook hier is de inductie van de d-as uiteraard lager omdat de magneet zich in het fluxpad bevindt en geen inductieve eigenschap genereert. Daarom is er minder ijzer om te verzadigen in de d-as, wat resulteert in een aanzienlijk lagere vermindering van de flux ten opzichte van de q-as.

7. Fluxverzwakking/-intensivering van PM-motoren

Flux in een permanentmagneetmotor wordt gegenereerd door de magneten. Het fluxveld volgt een bepaald pad, dat kan worden versterkt of tegengewerkt. Door het fluxveld te versterken of te intensiveren, kan de motor de koppelproductie tijdelijk verhogen. Het tegenwerken van het fluxveld zal het bestaande magneetveld van de motor tenietdoen. Het verminderde magneetveld beperkt de koppelproductie, maar vermindert de back-emf-spanning. De verlaagde back-emf-spanning maakt de spanning vrij om de motor ertoe aan te zetten om op hogere uitgangssnelheden te werken. Beide soorten werking vereisen extra motorstroom. De richting van de motorstroom over de d-as, aangeleverd door de motorcontroller, bepaalt het gewenste effect.

8. Zelfdetectie versus gesloten-luswerking

Recente ontwikkelingen in de aandrijftechnologie maken het mogelijk dat standaard frequentieregelaars de positie van de motormagneet ‘zelf detecteren’ en volgen. Een gesloten-lussysteem gebruikt doorgaans het z-pulskanaal om de prestaties te optimaliseren. Via bepaalde routines kent de aandrijving de exacte positie van de motormagneet door de A/B-kanalen te volgen en te corrigeren voor fouten met het z-kanaal. Het kennen van de exacte positie van de magneet zorgt voor een optimale koppelproductie, wat resulteert in een optimaal rendement.