در طراحی موتور سنکرون آهنربای دائم به چه پارامترهایی باید توجه کرد؟

موتورهای سنکرون آهنربای دائم به دلیل فشرده بودن و تراکم گشتاور بالا، به طور گسترده در بسیاری از کاربردهای صنعتی، به ویژه برای سیستم های محرکه با کارایی بالا مانند سیستم های پیشران زیردریایی استفاده می شوند.موتورهای سنکرون آهنربای دائمی نیازی به استفاده از حلقه های لغزنده برای تحریک، کاهش تعمیر و نگهداری روتور و تلفات ندارند.موتورهای سنکرون آهنربای دائم بسیار کارآمد و مناسب برای سیستم های محرک با کارایی بالا مانند ماشین ابزار CNC، رباتیک و سیستم های تولید خودکار در صنعت هستند.

به طور کلی، طراحی و ساخت موتورهای سنکرون آهنربای دائمی باید ساختار استاتور و روتور را در نظر بگیرد تا یک موتور با کارایی بالا به دست آید.

ساختار موتور سنکرون آهنربای دائمی

چگالی شار مغناطیسی شکاف هوا:با توجه به طراحی موتورهای ناهمزمان و غیره، طراحی روتورهای آهنربای دائمی و استفاده از الزامات ویژه برای سوئیچینگ سیم پیچ استاتور تعیین می شود.علاوه بر این، فرض بر این است که استاتور یک استاتور شکافدار است.چگالی شار شکاف هوا توسط اشباع هسته استاتور محدود می شود.به طور خاص، چگالی شار اوج توسط عرض دندانه های چرخ دنده محدود می شود، در حالی که پشت استاتور حداکثر شار کل را تعیین می کند.

علاوه بر این، سطح اشباع مجاز بستگی به کاربرد دارد.به طور معمول، موتورهای با راندمان بالا دارای چگالی شار کمتری هستند، در حالی که موتورهایی که برای حداکثر چگالی گشتاور طراحی شده اند، چگالی شار بالاتری دارند.حداکثر چگالی شار شکاف هوا معمولاً در محدوده 0.7-1.1 تسلا است.لازم به ذکر است که این چگالی شار کل است، یعنی مجموع شار روتور و استاتور.این بدان معنی است که اگر نیروی واکنش آرمیچر کم باشد، به این معنی است که گشتاور تراز بالاست.

با این حال، برای دستیابی به سهم بزرگ گشتاور ریلانسیون، نیروی واکنش استاتور باید زیاد باشد.پارامترهای ماشین نشان می دهد که m بزرگ و اندوکتانس L کوچک عمدتاً برای به دست آوردن گشتاور تراز مورد نیاز است.این معمولاً برای عملکرد زیر سرعت پایه مناسب است زیرا اندوکتانس بالا ضریب توان را کاهش می دهد.

مواد آهنربای دائمی:

آهنرباها در بسیاری از دستگاه ها نقش مهمی دارند، بنابراین بهبود عملکرد این مواد بسیار مهم است و در حال حاضر توجه بر روی مواد خاکی کمیاب و فلزات واسطه ای متمرکز شده است که می توانند آهنرباهای دائمی با خواص مغناطیسی بالا به دست آورند.بسته به تکنولوژی، آهنرباها خواص مغناطیسی و مکانیکی متفاوتی دارند و مقاومت در برابر خوردگی متفاوتی از خود نشان می دهند.

آهنرباهای NdFeB (Nd2Fe14B) و ساماریوم کبالت (Sm1Co5 و Sm2Co17) پیشرفته ترین مواد مغناطیس دائم تجاری موجود امروزی هستند.در هر دسته از آهنرباهای خاکی کمیاب انواع مختلفی از گریدها وجود دارد.آهنرباهای NdFeB در اوایل دهه 1980 تجاری شدند.امروزه به طور گسترده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.هزینه این ماده آهنربا (به ازای هر محصول انرژی) با آهنرباهای فریت قابل مقایسه است و بر اساس هر کیلوگرم، آهنرباهای NdFeB حدود 10 تا 20 برابر آهنرباهای فریتی قیمت دارند.

برخی از خواص مهم مورد استفاده برای مقایسه آهنرباهای دائمی عبارتند از: ماندگاری (Mr) که قدرت میدان مغناطیسی مغناطیسی دائمی را اندازه گیری می کند، نیروی اجباری (Hcj)، توانایی ماده در مقاومت در برابر مغناطیس زدایی، محصول انرژی (BHmax)، انرژی مغناطیسی چگالی. ;دمای کوری (TC)، دمایی که در آن ماده خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد.آهنرباهای نئودیمیم ماندگاری بالاتر، اجبار و محصول انرژی بالاتری دارند، اما به طور کلی از نوع دمای کوری پایین تر هستند، نئودیمیم با تربیوم و دیسپروزیم کار می کند تا خواص مغناطیسی خود را در دماهای بالا حفظ کند.

طراحی موتور سنکرون آهنربای دائمی

در طراحی موتور سنکرون آهنربای دائم (PMSM)، ساخت روتور آهنربای دائم بر اساس قاب استاتور یک موتور القایی سه فاز بدون تغییر هندسه استاتور و سیم پیچ ها انجام می شود.مشخصات و هندسه عبارتند از: سرعت موتور، فرکانس، تعداد قطب ها، طول استاتور، قطر داخلی و خارجی، تعداد شیارهای روتور.طراحی PMSM شامل تلفات مس، EMF پشتی، تلفات آهن و اندوکتانس خود و متقابل، شار مغناطیسی، مقاومت استاتور و غیره است.

محاسبه خود القایی و اندوکتانس متقابل:

اندوکتانس L را می توان به عنوان نسبت پیوند شار به جریان تولید کننده شار I، در هانریس (H)، برابر وبر در هر آمپر تعریف کرد.سلف وسیله ای است که برای ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی استفاده می شود، شبیه به نحوه ذخیره انرژی در یک خازن در میدان الکتریکی.سلف ها معمولاً از سیم پیچ هایی تشکیل شده اند که معمولاً به دور یک هسته فریت یا فرومغناطیسی پیچیده می شوند و مقدار اندوکتانس آنها فقط به ساختار فیزیکی هادی و نفوذپذیری ماده ای که شار مغناطیسی از آن عبور می کند مربوط می شود.

مراحل یافتن اندوکتانس به شرح زیر است:1. فرض کنید جریان I در هادی وجود دارد.2. از قانون Biot-Savart یا قانون حلقه آمپر (در صورت وجود) برای تعیین اینکه B به اندازه کافی متقارن است استفاده کنید.3. شار کل اتصال تمام مدارها را محاسبه کنید.4. برای بدست آوردن پیوند شار، کل شار مغناطیسی را در تعداد حلقه ها ضرب کنید و با ارزیابی پارامترهای مورد نیاز، طراحی موتور سنکرون آهنربای دائم را انجام دهید.

این مطالعه نشان داد که طراحی استفاده از NdFeB به عنوان ماده روتور آهنربای دائم AC باعث افزایش شار مغناطیسی ایجاد شده در شکاف هوا شده و در نتیجه شعاع داخلی استاتور کاهش می یابد، در حالی که شعاع داخلی استاتور با استفاده از کبالت دائمی ساماریوم مواد روتور آهنربا بزرگتر بود.نتایج نشان می دهد که اتلاف موثر مس در NdFeB به میزان 124/8 درصد کاهش می یابد.برای کبالت ساماریوم به عنوان یک ماده آهنربای دائمی، شار مغناطیسی یک تغییر سینوسی خواهد بود.به طور کلی، طراحی و ساخت موتورهای سنکرون آهنربای دائمی باید ساختار استاتور و روتور را در نظر بگیرد تا یک موتور با کارایی بالا به دست آید.

در نتیجه

موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) یک موتور سنکرون است که از مواد مغناطیسی بالا برای مغناطیس کردن استفاده می کند و دارای ویژگی های راندمان بالا، ساختار ساده و کنترل آسان است.این موتور سنکرون آهنربای دائمی کاربردهایی در کشش، خودرو، روباتیک و فناوری هوافضا دارد.چگالی توان موتورهای سنکرون آهنربای دائم بیشتر از موتورهای القایی با همان رتبه است، زیرا هیچ توان استاتوری برای تولید میدان مغناطیسی وجود ندارد..

در حال حاضر، طراحی PMSM نه تنها به توان بالاتر، بلکه به جرم کمتر و گشتاور اینرسی کمتر نیاز دارد.