Door hun compactheid en hoge koppeldichtheid worden synchrone motoren met permanente magneten veelvuldig gebruikt in diverse industriële toepassingen, met name in krachtige aandrijfsystemen zoals onderzeebootvoortstuwing. Synchrone motoren met permanente magneten hebben geen sleepringen nodig voor de bekrachtiging, wat het onderhoud en de slijtage van de rotor vermindert. Ze hebben een hoog rendement en zijn geschikt voor krachtige aandrijfsystemen zoals CNC-bewerkingsmachines, robots en geautomatiseerde productiesystemen in de industrie.

Over het algemeen moet bij het ontwerp en de constructie van synchrone motoren met permanente magneet rekening worden gehouden met zowel de stator- als de rotorconstructie om krachtige motoren te verkrijgen.

Constructie van synchrone motor met permanente magneet

Luchtspleetfluxdichtheid: bepaald op basis van het ontwerp van asynchrone motoren, enz., het ontwerp van de permanente magneetrotor en de speciale vereisten voor het gebruik van geschakelde statorwikkelingen. Bovendien wordt aangenomen dat de stator een gleufstator is. De luchtspleetfluxdichtheid wordt beperkt door de verzadiging van de statorkern. In het bijzonder wordt de piekfluxdichtheid beperkt door de tandbreedte, terwijl de achterkant van de stator de maximale totale flux bepaalt.

Bovendien is het toegestane verzadigingsniveau afhankelijk van de toepassing. Normaal gesproken heeft een motor met hoog rendement een lage fluxdichtheid, terwijl een motor die is ontworpen voor maximale koppeldichtheid een hoge fluxdichtheid heeft. De piekfluxdichtheid van de luchtspleet ligt doorgaans in het bereik van 0.7–1.1 Tesla. Merk op dat dit de totale fluxdichtheid is, die de som is van de rotor- en statorfluxen. Dit betekent dat als de reactiekracht van het anker kleiner is, dit betekent dat het uitlijningskoppel hoger is.

Om echter een grote bijdrage aan het oppositionele koppel te bereiken, moet de statorreactiekracht groot zijn. Uit de machineparameters blijkt dat hoofdzakelijk een grote m en een kleine inductantie L nodig zijn om het uitlijningskoppel te verkrijgen. Dit is over het algemeen geschikt voor gebruik onder de basissnelheid, omdat een hoge inductie de arbeidsfactor vermindert.

Materiaal permanente magneet:

Magneten spelen een belangrijke rol in veel apparaten. Daarom is het belangrijk om de eigenschappen van deze materialen te verbeteren. Momenteel richt de aandacht zich op materialen op basis van zeldzame aardmetalen en overgangsmetalen om permanente magneten met hoge magnetische eigenschappen te verkrijgen. Afhankelijk van de technologie hebben magneten verschillende magnetische en mechanische eigenschappen en vertonen ze een verschillende corrosieweerstand.

Neodymium-ijzerborium- (Nd2Fe14B) en samarium-kobalt-magneten (Sm1Co5 en Sm2Co17) zijn tegenwoordig de meest geavanceerde commerciële permanente magneetmaterialen. Binnen elke klasse zeldzame-aardemagneten bestaat er een grote verscheidenheid aan kwaliteiten. NdFeB-magneten werden begin jaren tachtig op de markt gebracht. Ze worden tegenwoordig veel gebruikt in veel verschillende toepassingen. De kosten van dit magneetmateriaal (berekend per energieproduct) zijn vergelijkbaar met de kosten van ferrietmagneten, en per kilogram kosten NdFeB-magneten ongeveer 1980 tot 10 keer meer dan ferrietmagneten.

Enkele belangrijke eigenschappen die worden gebruikt om permanente magneten te vergelijken zijn Remanentie (Mr), die de sterkte van het magnetische veld van een permanente magneet meet, Coërciviteit (Hcj), het vermogen van een materiaal om demagnetisatie te weerstaan, Energieproduct (BHmax), Dichtheid Magnetische Energie; Curietemperatuur (TC), de temperatuur waarbij het materiaal zijn magnetisme verliest. Neodymiummagneten hebben een hogere remanentie, hogere dwangkracht en energieproduct, maar over het algemeen lagere Curie-temperatuurtypes, neodymium en terbium, en dysprosium om hun magnetische eigenschappen bij hoge temperaturen te behouden.

Synchrone motorontwerp met permanente magneet

Bij het ontwerp van een synchrone motor met permanente magneet (PMSM) is de constructie van de permanente magneetrotor gebaseerd op het statorframe van een driefasige inductiemotor zonder de geometrie van de stator en de wikkelingen te veranderen. Specificaties en geometrie omvatten motorsnelheid, frequentie, aantal polen, statorlengte, binnen- en buitendiameters en aantal rotorsleuven. Het ontwerp van de synchrone motor met permanente magneet omvat koperverlies, tegen-elektromotorische kracht, ijzerverlies en zelfinductie, wederzijdse inductie, magnetische flux, statorweerstand, enz.

Berekening van zelf- en wederzijdse inductie:

Inductantie L kan worden gedefinieerd als de verhouding van de fluxkoppeling tot de stroom I die de flux in henries (H) produceert, gelijk aan Weber per ampère. Een inductor is een apparaat dat wordt gebruikt om energie op te slaan in een magnetisch veld, vergelijkbaar met hoe een condensator energie opslaat in een elektrisch veld. Een inductor bestaat meestal uit een spoel, meestal gewikkeld rond een ferriet- of ferromagnetische kern, en de inductiewaarde ervan houdt alleen verband met de fysieke structuur van de geleider en de permeabiliteit van het materiaal waar de magnetische flux doorheen gaat.

De stappen om de inductantie te vinden zijn als volgt: 1. Stel dat er een stroom I in de geleider loopt. 2. Gebruik de wet van Biot-Savart of de luswet van Ampere (indien beschikbaar) om te bepalen dat B voldoende symmetrisch is. 3. Bereken de totale flux die alle lussen verbindt. 4. Vermenigvuldig de totale magnetische flux met het aantal circuits om de fluxkoppeling te verkrijgen en ontwerp de synchrone motor met permanente magneet door de evaluatie van de vereiste parameters.

Uit de studie bleek dat het ontwerp van het gebruik van NdFeB als het AC-rotormateriaal met permanente magneet de magnetische flux vergroot die in de luchtspleet wordt gegenereerd, wat resulteert in een afname van de binnenradius van de stator, terwijl de binnenradius van de stator met behulp van het samariumkobalt permanent het materiaal van de magneetrotor is groter. De resultaten laten zien dat het effectieve koperverlies in NdFeB met 8.124% wordt verminderd. Voor samariumkobalt als permanent magneetmateriaal zal de magnetische flux een sinusoïdale variatie zijn. Over het algemeen moet bij het ontwerp en de constructie van synchrone motoren met permanente magneet rekening worden gehouden met zowel de stator- als de rotorconstructie om krachtige motoren te verkrijgen.

Concluderend

De permanentmagneet-synchrone motor (PMSM) is een synchrone motor die gebruikmaakt van sterk magnetische materialen voor magnetisatie. Deze motor kenmerkt zich door een hoog rendement, een eenvoudige structuur en gemakkelijke aansturing. Dit type permanentmagneet-synchrone motor vindt toepassing in diverse sectoren, zoals tractie, automobielindustrie, robotica en lucht- en ruimtevaarttechnologie. De vermogensdichtheid van permanentmagneet-synchrone motoren is hoger dan die van inductiemotoren met hetzelfde vermogen, omdat er geen statorvermogen nodig is voor het genereren van magnetische velden.

Momenteel vereist het ontwerp van de synchrone motor met permanente magneet niet alleen meer vermogen, maar ook een lagere massa en kleinere traagheidsmomenten.