Massimizzare l'efficienza PMSM: una guida ai gruppi magnetici del rotore

Per i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), la configurazione del gruppo del magnete del rotore influisce direttamente sull'ondulazione della coppia, sulla forma d'onda della forza elettromotrice posteriore e sull'efficienza complessiva. I rotori a magneti permanenti (SPM) montati in superficie offrono una maggiore densità di flusso del traferro ma soffrono di perdite magnetiche alle alte velocità, mentre i rotori a magneti permanenti interni (IPM) forniscono robustezza meccanica e contributo di coppia di riluttanza ma richiedono un posizionamento preciso del magnete per evitare la cancellazione del flusso. La selezione dell'architettura del rotore o dell'orientamento del magnete errati riduce l'efficienza del motore del 5-12% nelle tipiche applicazioni di azionamento industriale. La seguente guida tecnica mette a confronto i progetti SPM e IPM, spiega gli effetti della direzione della magnetizzazione sull'uscita della coppia e mostra come la FEA ottimizza il passo polare.

I rotori SPM hanno magneti incollati o trattenuti sulla circonferenza esterna del rotore. Questo design offre un'ampia area effettiva del traferro, producendo un flusso magnetico elevato per volume del magnete. L'SPM è preferito per applicazioni ad alta-densità di coppia come servomotori e turbine eoliche a trasmissione diretta-. Tuttavia, la forza centrifuga a regimi elevati (oltre 10.000 giri/min) può staccare i magneti di superficie a meno che non vengano applicati manicotti in fibra di carbonio o anelli di ritenzione in Inconel.

I rotori IPM incorporano i magneti all'interno del pacco di laminazione del rotore. I magneti sono protetti meccanicamente dalle forze centrifughe, rendendo l'IPM adatto per motori di trazione ad alta-velocità (15.000-20.000 giri/min). Inoltre, il ferro del rotore tra i magneti crea una coppia di riluttanza dovuta alle differenze di induttanza Ld e Lq, migliorando la coppia complessiva erogata del 20-35% rispetto all'SPM dello stesso volume del magnete. Il compromesso: l'assemblaggio IPM è più complesso e richiede un riempimento preciso delle fessure e un'impregnazione epossidica per impedire il movimento del magnete durante i cicli termici.

La dispersione magnetica riduce il flusso effettivo che attraversa il traferro. Nei rotori SPM, le perdite si verificano principalmente attraverso il ferro posteriore del rotore se la distanza tra il magnete-e-il ferro-posteriore è troppo piccola. Uno spessore minimo del ferro posteriore di 5-8 mm per un diametro del rotore di 50 mm è tipico per mantenere le perdite al di sotto del 5% del flusso totale.

Nei rotori IPM, i percorsi di perdita sono più complessi: il flusso può cortocircuitare-tra le fessure magnetiche adiacenti attraverso i ponti del rotore. Lo spessore del ponte deve essere ottimizzato: un ponte più sottile di 1,5 mm per uno stack di 30 mm rischia la frattura meccanica, ma un ponte più spesso di 2,5 mm aumenta le perdite del 10-15%. Per trovare l'equilibrio è necessaria la simulazione FEA. Il nostro design IPM standard mira a un coefficiente di perdita (σ) di 1,2-1,3.

La direzione della magnetizzazione rispetto alla superficie del rotore definisce il percorso del flusso. Per i rotori SPM, la magnetizzazione radiale (vettore magnetico che punta verso l'esterno lungo il raggio del rotore) è standard, producendo una forza elettromotrice sinusoidale posteriore-. Tuttavia, la magnetizzazione parallela (tutti i vettori paralleli tra loro) crea una distribuzione del flusso trapezoidale, che aumenta l'ondulazione della coppia dell'8-12% ma può migliorare la coppia di picco del 5-7% negli azionamenti non sinusoidali.

Per i rotori IPM, la direzione della magnetizzazione può essere parallela all'asse q-(allineamento della barriera di flusso) o a forma di V-con un angolo di 20-30 gradi. I rotori IPM a forma di V- con angolo del magnete di 120-130 gradi producono il massimo contributo di coppia di riluttanza, migliorando l'efficienza ai carichi parziali. La magnetizzazione multipolare (8 poli, 12 poli, 16 poli) riduce lo spessore del giogo dello statore ma aumenta la complessità del gruppo magnete. Per una determinata dimensione del telaio, l'aumento del numero di poli da 8 a 16 riduce il peso della staffa posteriore di circa il 30% ma richiede tolleranze di assemblaggio più strette di 0,2-0,3 mm.

Il passo polare (la larghezza angolare di ciascun magnete rispetto all'arco polare) determina la forma della distribuzione del flusso. Un passo polare eccessivamente ampio riduce la distanza tra i poli adiacenti, aumentando la dispersione del flusso. Un passo polare eccessivamente stretto riduce il flusso totale. Il passo polare ottimale per i magneti NdFeB- montati sulla superficie è in genere pari al 70-80% dell'arco polare.

Utilizzando la simulazione magnetica dell'analisi degli elementi finiti (FEA), valutiamo:

Densità di flusso al carico nominale rispetto al sovraccarico (2x corrente)

Rischio di smagnetizzazione alla massima temperatura (utilizzando il declassamento Hcj)

Ampiezza della coppia di cogging (obiettivo < 3% della coppia nominale per i servomotori)

Forniamo ai clienti report FEA che includono grafici delle linee di flusso, armoniche di densità del flusso del traferro (analisi FFT) e curve di coppia-angolo. Questi dati consentono ai produttori di motori di finalizzare la progettazione dell'avvolgimento dello statore e della laminazione prima dell'attrezzatura.

Per i produttori di rotori PMSM che richiedono forme magnetiche personalizzate (segmenti di arco, blocchi trapezoidali) o gruppi magnetici completi con pre-applicazione adesiva, fare riferimento alla nostra pagina Gruppo magnete rotore sul nostro sito web. Supportiamo modelli di magnetizzazione tra cui sinusoidale, Halbach e inclinazione segmentata per ridurre l'ondulazione della coppia.

Per discutere le specifiche del motore, tra cui velocità nominale, temperatura ambiente e classe di efficienza target (IE4/IE5), contatta il nostro team tecnico. Forniamo la selezione del grado (N35UH, N42SH, N48H) e la convalida della smagnetizzazione FEA.

D: Come faccio a scegliere tra il design del rotore SPM e IPM per un servomotore industriale da 10 kW?
R: Per velocità inferiori a 6000 giri/min e requisiti di bassa ondulazione della coppia, l'SPM con magneti N42SH è conveniente-. Per velocità superiori a 8000 giri/min o un ampio intervallo di potenza costante, scegli IPM con magneti N35UH per evitare il distacco del magnete ad alta-velocità.

D: Qual è la variazione tipica dello spessore del magnete consentita in un gruppo rotore PMSM?
R: Tolleranza sullo spessore: ±0,05 mm per segmenti SPM, ±0,03 mm per inserti IPM. Una variazione maggiore provoca un'asimmetria del traferro, aumentando la forza magnetica e le vibrazioni sbilanciate.

D: Potete fornire gruppi magnetici con rivestimento epossidico per la protezione dalla corrosione nei rotori IPM?
R: Sì. Applichiamo Ni-Cu-Ni (10-20μm) o resina epossidica (20-40μm) su ciascun magnete. Per i rotori IPM, il rivestimento epossidico con spessore di 100-200μm sui bordi del magnete migliora il riempimento delle scanalature e impedisce il contatto conduttivo tra magnete e laminazione.