לאילו פרמטרים יש לשים לב בתכנון של מנוע סינכרוני מגנט קבוע?

בשל הקומפקטיות שלהם וצפיפות המומנט הגבוהה, מנועים סינכרוניים מגנט קבוע נמצאים בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים רבים, במיוחד עבור מערכות הנעה בעלות ביצועים גבוהים כגון מערכות הנעה תת ימיות.מנועים סינכרוניים מגנט קבוע אינם דורשים שימוש בטבעות החלקה לצורך עירור, הפחתת תחזוקת הרוטור וההפסדים.מנועים סינכרוניים מגנט קבוע הינם יעילים ביותר ומתאימים למערכות הנעה בעלות ביצועים גבוהים כגון מכונת CNC, רובוטיקה ומערכות ייצור אוטומטיות בתעשייה.

באופן כללי, התכנון והבנייה של מנועים סינכרוניים מגנט קבוע חייבים לקחת בחשבון הן את מבנה הסטטור והן את מבנה הרוטור על מנת להשיג מנוע בעל ביצועים גבוהים.

המבנה של מנוע סינכרוני מגנט קבוע

צפיפות שטף מגנטי של מרווח אוויר:נקבע על פי תכנון מנועים אסינכרוניים וכו', עיצוב רוטורים מגנטים קבועים ושימוש בדרישות מיוחדות למיתוג פיתולי סטטור.בנוסף, ההנחה היא שהסטטור הוא סטטור מחורץ.צפיפות השטף של פער האוויר מוגבלת על ידי הרוויה של ליבת הסטטור.בפרט, צפיפות שיא השטף מוגבלת ברוחב שיני ההילוכים, בעוד שחלקו האחורי של הסטטור קובע את השטף הכולל המרבי.

יתר על כן, רמת הרוויה המותרת תלויה ביישום.בדרך כלל, למנועים בעלי יעילות גבוהה יש צפיפות שטף נמוכה יותר, בעוד למנועים המיועדים לצפיפות מומנט מקסימלית יש צפיפות שטף גבוהה יותר.שיא צפיפות השטף של פער האוויר היא בדרך כלל בטווח של 0.7-1.1 טסלה.יש לציין שזוהי צפיפות השטף הכוללת, כלומר סכום שטפי הרוטור והסטטור.זה אומר שאם כוח התגובה של האבזור נמוך, זה אומר שמומנט היישור גבוה.

עם זאת, על מנת להשיג תרומת מומנט סרבנות גדולה, כוח התגובה של הסטטור חייב להיות גדול.פרמטרים של מכונה מראים ש-m גדול והשראות L קטן נדרשים בעיקר כדי להשיג מומנט יישור.זה בדרך כלל מתאים לפעולה מתחת למהירות הבסיס שכן השראות גבוהה מפחיתה את גורם ההספק.

חומר מגנט קבוע:

מגנטים ממלאים תפקיד חשוב במכשירים רבים, לכן, שיפור הביצועים של חומרים אלו חשוב מאוד, וכיום תשומת הלב מתמקדת בחומרים נדירים על בסיס אדמה ומתכת מעבר שיכולים להשיג מגנטים קבועים בעלי תכונות מגנטיות גבוהות.בהתאם לטכנולוגיה, למגנטים תכונות מגנטיות ומכאניות שונות ומפגינים עמידות שונה בפני קורוזיה.

מגנטים NdFeB (Nd2Fe14B) ו-Samarium Cobalt (Sm1Co5 ו- Sm2Co17) הם החומרים המתקדמים ביותר למגנטים קבועים הקיימים כיום.בתוך כל מחלקה של מגנטים נדירים לאדמה יש מגוון רחב של דרגות.מגנטים של NdFeB הועברו למסחר בתחילת שנות ה-80.הם נמצאים בשימוש נרחב כיום ביישומים רבים ושונים.העלות של חומר מגנט זה (למוצר אנרגיה) דומה לזו של מגנטי פריט, ועל בסיס לקילוגרם, מגנטי NdFeB עולים בערך פי 10 עד 20 ממגנטי פריט.

כמה מאפיינים חשובים המשמשים להשוואת מגנטים קבועים הם: רמננס (Mr), המודד את עוצמת השדה המגנטי המגנטי הקבוע, כוח הכפייה (Hcj), יכולת החומר להתנגד לדה-מגנטיזציה, תוצר אנרגיה (BHmax), אנרגיה מגנטית בצפיפות ;טמפרטורת קירי (TC), הטמפרטורה שבה החומר מאבד את המגנטיות שלו.למגנטים של ניאודימיום יש רמננציה גבוהה יותר, כוויה גבוהה יותר ותוצר אנרגיה, אך הם בדרך כלל מסוג טמפרטורת Curie הנמוכה יותר, ניאודימיום עובד עם טרביום ודיספרוסיום על מנת לשמור על התכונות המגנטיות שלו בטמפרטורות גבוהות.

עיצוב מנוע סינכרוני מגנט קבוע

בתכנון של מנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM), בניית רוטור המגנט הקבוע מבוססת על מסגרת הסטטור של מנוע אינדוקציה תלת פאזי מבלי לשנות את הגיאומטריה של הסטטור והפיתולים.מפרטים וגיאומטריה כוללים: מהירות מנוע, תדירות, מספר קטבים, אורך סטטור, קטרים ​​פנימיים וחיצונים, מספר חריצי הרוטור.העיצוב של PMSM כולל אובדן נחושת, EMF אחורי, אובדן ברזל והשראות עצמית והדדית, שטף מגנטי, התנגדות סטטור וכו'.

חישוב השראות עצמית והשראות הדדית:

ניתן להגדיר את השראות L כיחס בין הצמדת השטף לזרם מייצר השטף I, בהנרי (H), שווה לוובר לאמפר.משרן הוא מכשיר המשמש לאגירת אנרגיה בשדה מגנטי, בדומה לאופן שבו קבל אוגר אנרגיה בשדה חשמלי.משרנים מורכבים בדרך כלל מסלילים, לרוב מלופפים סביב ליבה פריט או פרומגנטית, וערך השראות שלהם קשור רק למבנה הפיזי של המוליך ולחדירות החומר שדרכו עובר השטף המגנטי.

השלבים למציאת השראות הם כדלקמן:1. נניח שיש זרם I במוליך.2. השתמש בחוק של Biot-Savart או בחוק הלולאה של אמפר (אם קיים) כדי לקבוע ש-B סימטרי מספיק.3. חשב את השטף הכולל המחבר את כל המעגלים.4. הכפל את השטף המגנטי הכולל במספר הלולאות כדי לקבל את הצמדת השטף, ובצע את התכנון של המנוע הסינכרוני של המגנט הקבוע על ידי הערכת הפרמטרים הנדרשים.

המחקר מצא כי התכנון של שימוש ב-NdFeB כחומר רוטור המגנט הקבוע של AC הגדיל את השטף המגנטי שנוצר במרווח האוויר, וכתוצאה מכך הפחתה ברדיוס הפנימי של הסטטור, בעוד שהרדיוס הפנימי של הסטטור משתמש בקובלט קבוע של סמריום. חומר רוטור מגנט היה גדול יותר.התוצאות מראות שהפסד הנחושת האפקטיבי ב-NdFeB מופחת ב-8.124%.עבור קובלט סמריום כחומר מגנט קבוע, השטף המגנטי יהיה וריאציה סינוסואידלית.באופן כללי, התכנון והבנייה של מנועים סינכרוניים מגנט קבוע חייבים לקחת בחשבון הן את מבנה הסטטור והן את מבנה הרוטור על מנת להשיג מנוע בעל ביצועים גבוהים.

לסיכום

מנוע סינכרוני מגנט קבוע (PMSM) הוא מנוע סינכרוני המשתמש בחומרים מגנטיים גבוהים למגנטיזציה, ובעל מאפיינים של יעילות גבוהה, מבנה פשוט ושליטה קלה.למנוע סינכרוני מגנט קבוע זה יש יישומים בטכנולוגיית מתיחה, רכב, רובוטיקה ותעופה וחלל.צפיפות ההספק של מנועים סינכרוניים מגנט קבוע גבוהה מזו של מנועי אינדוקציה מאותו דירוג מכיוון שאין כוח סטטור המוקדש לייצור השדה המגנטי..

נכון לעכשיו, התכנון של PMSM דורש לא רק כוח גבוה יותר, אלא גם מסה נמוכה יותר ומומנט אינרציה נמוך יותר.