Lekki silnik z magnesami ziem rzadkich, mały 6-biegunowy silnik synchroniczny

Charakterystyczna cecha PMACM – magnesy trwałe w ich wirniku – działają na wirujące pole magnetyczne (RMF) uzwojeń stojana i są wprawiane w ruch obrotowy.Jest to odchylenie od innych wirników, gdzie siła magnetyczna musi być indukowana lub generowana w obudowie wirnika, co wymaga większego prądu.Oznacza to, że PMACM są generalnie bardziej wydajne niż silniki indukcyjne, ponieważ pole magnetyczne wirnika jest stałe i nie potrzebuje źródła energii do jego wytworzenia.Oznacza to również, że do działania wymagają napędu o zmiennej częstotliwości (napęd VFD lub PM), który jest systemem sterowania, który wygładza moment obrotowy wytwarzany przez te silniki.Poprzez włączanie i wyłączanie prądu w uzwojeniach stojana na określonych etapach obrotu wirnika, napęd PM jednocześnie steruje momentem obrotowym i prądem oraz wykorzystuje te dane do obliczenia położenia wirnika, a tym samym prędkości wyjściowej wału.Są to maszyny synchroniczne, gdyż ich prędkość obrotowa odpowiada prędkości RMF.Te maszyny są stosunkowo nowe i wciąż są optymalizowane, więc specyficzne działanie każdego PMACM jest na razie zasadniczo unikalne dla każdego projektu.

Równanie pola elektromagnetycznego i momentu obrotowego

W maszynie synchronicznej średnia siła elektromotoryczna indukowana na fazę jest nazywana polem elektromagnetycznym indukującym dynamikę w silniku synchronicznym, strumień wycinany przez każdy przewodnik na obrót wynosi Pϕ Webera

Wtedy czas potrzebny na wykonanie jednego obrotu wynosi 60/N sek

Średnią EMF indukowaną na przewodnik można obliczyć za pomocą

( PϕN / 60 ) x Zph = ( PϕN / 60 ) x 2Tph

Gdzie Tph = Zph / 2

Dlatego średni EMF na fazę wynosi,

= 4 x ϕ x Tph x PN/120 = 4ϕfTph

Gdzie Tph = nie.Zwojów połączonych szeregowo na fazę

ϕ = strumień/biegun w weberze

P = nie.biegunów

F= częstotliwość w Hz

Zph= nie.Z przewodów połączonych szeregowo na fazę.= Zph/3

Równanie EMF zależy od cewek i przewodników na stojanie.W przypadku tego silnika uwzględniono również współczynnik dystrybucji Kd i współczynnik skoku Kp.

Stąd E = 4 x ϕ xfx Tph xKd x Kp

Równanie momentu obrotowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi jest podane jako

T = (3 x Eph x Iph x sinβ) / ωm

Dlaczego warto wybrać silniki prądu przemiennego z magnesami trwałymi?

Silniki prądu przemiennego z magnesami trwałymi (PMAC) oferują kilka zalet w porównaniu z innymi typami silników, w tym:

Wysoka wydajność: Silniki PMAC są bardzo wydajne ze względu na brak strat miedzianych wirnika i zmniejszone straty uzwojenia.Mogą osiągnąć sprawność do 97%, co skutkuje znaczną oszczędnością energii.

Wysoka gęstość mocy: Silniki PMAC mają wyższą gęstość mocy w porównaniu z innymi typami silników, co oznacza, że ​​mogą wytwarzać więcej mocy na jednostkę wielkości i wagi.Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań, w których przestrzeń jest ograniczona.

Wysoka gęstość momentu obrotowego: Silniki PMAC mają wysoką gęstość momentu obrotowego, co oznacza, że ​​mogą wytwarzać większy moment obrotowy na jednostkę wielkości i wagi.Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań, w których wymagany jest wysoki moment obrotowy.

Ograniczona konserwacja: ponieważ silniki PMAC nie mają szczotek, wymagają mniej konserwacji i mają dłuższą żywotność niż inne typy silników.

Ulepszona kontrola: Silniki PMAC mają lepszą kontrolę prędkości i momentu obrotowego w porównaniu z innymi typami silników, co czyni je idealnymi do zastosowań, w których wymagana jest precyzyjna kontrola.

Przyjazny dla środowiska: silniki PMAC są bardziej przyjazne dla środowiska niż inne typy silników, ponieważ wykorzystują metale ziem rzadkich, które są łatwiejsze do recyklingu i wytwarzają mniej odpadów w porównaniu z innymi typami silników.

Ogólnie rzecz biorąc, zalety silników PMAC sprawiają, że są one doskonałym wyborem do szerokiego zakresu zastosowań, w tym pojazdów elektrycznych, maszyn przemysłowych i systemów energii odnawialnej.

SPM kontra IPM

Silnik PM można podzielić na dwie główne kategorie: silniki z magnesami trwałymi powierzchniowymi (SPM) i silniki z magnesami trwałymi wewnętrznymi (IPM).Żaden typ konstrukcji silnika nie zawiera prętów wirnika.Oba typy generują strumień magnetyczny przez magnesy trwałe przymocowane do lub wewnątrz wirnika.

Silniki SPM mają magnesy przymocowane do zewnętrznej powierzchni wirnika.Z powodu tego mechanicznego mocowania ich wytrzymałość mechaniczna jest słabsza niż w przypadku silników IPM.Osłabiona wytrzymałość mechaniczna ogranicza maksymalną bezpieczną prędkość mechaniczną silnika.Ponadto silniki te wykazują bardzo ograniczoną istotność magnetyczną (Ld ≈ Lq).

Wartości indukcyjności mierzone na zaciskach wirnika są stałe niezależnie od położenia wirnika.Ze względu na bliski jedności współczynnik istotności, konstrukcje silników SPM polegają w znacznym stopniu, jeśli nie całkowicie, na składowej momentu magnetycznego w celu wytworzenia momentu obrotowego.

Silniki IPM mają magnes stały osadzony w samym wirniku.W przeciwieństwie do swoich odpowiedników SPM, lokalizacja magnesów trwałych sprawia, że ​​silniki IPM są bardzo solidne mechanicznie i nadają się do pracy z bardzo dużymi prędkościami.Silniki te charakteryzują się również stosunkowo wysokim współczynnikiem istotności magnetycznej (Lq > Ld).Ze względu na swoją istotność magnetyczną silnik IPM ma zdolność generowania momentu obrotowego, wykorzystując zarówno komponenty magnetyczne, jak i reluktancyjne momentu obrotowego silnika.

Samoczynne wykrywanie a działanie w pętli zamkniętej

Ostatnie postępy w technologii napędów umożliwiają standardowym napędom prądu przemiennego „samoczynne wykrywanie” i śledzenie położenia magnesu silnika.System z zamkniętą pętlą zazwyczaj wykorzystuje kanał z-pulse do optymalizacji wydajności.Dzięki pewnym procedurom przemiennik zna dokładną pozycję magnesu silnika, śledząc kanały A/B i korygując błędy w kanale Z.Znajomość dokładnego położenia magnesu pozwala na uzyskanie optymalnego momentu obrotowego, co skutkuje optymalną wydajnością.

Osłabienie/wzmocnienie strumienia silników PM

Strumień w silniku z magnesami trwałymi jest generowany przez magnesy.Pole strumienia porusza się po określonej ścieżce, którą można wzmocnić lub przeciwstawić.Wzmocnienie lub zintensyfikowanie pola strumienia pozwoli silnikowi tymczasowo zwiększyć generowany moment obrotowy.Sprzeciwienie się polu strumienia spowoduje zanegowanie istniejącego pola magnetycznego silnika.Zmniejszone pole magnetyczne ograniczy wytwarzanie momentu obrotowego, ale zmniejszy napięcie wstecznej siły elektromotorycznej.Zmniejszone napięcie wstecznej siły elektromotorycznej zwalnia napięcie, aby popychać silnik do pracy z wyższymi prędkościami wyjściowymi.Oba rodzaje pracy wymagają dodatkowego prądu silnika.Kierunek prądu silnika wzdłuż osi d, zapewniany przez sterownik silnika, określa pożądany efekt.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi ma następujące cechy:

1. Wydajność znamionowa jest o 2% do 5% wyższa niż w przypadku zwykłych silników asynchronicznych;

2. Sprawność szybko rośnie wraz ze wzrostem obciążenia.Gdy obciążenie zmienia się w zakresie od 25% do 120%, zachowuje wysoką sprawność.Zakres pracy o wysokiej sprawności jest znacznie wyższy niż w przypadku zwykłych silników asynchronicznych.Małe obciążenie, zmienne obciążenie i pełne obciążenie mają znaczący wpływ na oszczędność energii;

3. Współczynniki mocy do 0,95 i więcej, nie jest wymagana kompensacja bierna;

4. Współczynnik mocy jest znacznie poprawiony.W porównaniu z silnikami asynchronicznymi prąd roboczy jest zmniejszony o ponad 10%.Dzięki zmniejszeniu prądu roboczego i strat systemowych można osiągnąć efekty oszczędności energii na poziomie około 1%.

5. Niski wzrost temperatury, wysoka gęstość mocy: 20 K niższy niż trójfazowy wzrost temperatury silnika asynchronicznego, wzrost temperatury projektowej jest taki sam i można go przekształcić w mniejszą objętość, oszczędzając bardziej efektywne materiały;

6. Wysoki moment rozruchowy i wysoka przeciążalność: zgodnie z wymaganiami można go zaprojektować z wysokim momentem rozruchowym (3-5 razy) i dużą przeciążalnością;

7. Stosowany jest system sterowania prędkością o zmiennej częstotliwości, który jest lepszy w odpowiedzi dynamicznej i lepszy niż w przypadku silników asynchronicznych.

8. Wymiary montażowe są takie same jak obecnie szeroko stosowane silniki asynchroniczne, a konstrukcja i wybór są bardzo wygodne.

9. Ze względu na wzrost współczynnika mocy wizualna moc transformatora systemu zasilania jest znacznie zmniejszona, co poprawia wydajność zasilania transformatora, a także może znacznie obniżyć koszt kabla systemowego (nowy projekt);

Kilka drobnych problemów, które można łatwo przeoczyć w przypadku silnika:

1. Dlaczego nie można używać silników ogólnych na obszarach płaskowyżu?

Wysokość ma niekorzystny wpływ na wzrost temperatury silnika, koronę silnika (silnik wysokiego napięcia) i komutację silnika prądu stałego.Należy zwrócić uwagę na trzy następujące aspekty:

(1) Im wyższa wysokość, tym wyższy wzrost temperatury silnika i niższa moc wyjściowa.Jednak gdy temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości na tyle, aby skompensować wpływ wysokości na wzrost temperatury, znamionowa moc wyjściowa silnika może pozostać niezmieniona;

(2) Należy podjąć środki zapobiegające wyładowaniu koronowemu, gdy silnik wysokonapięciowy jest używany na płaskowyżu;

(3) Wysokość nie jest dobra dla komutacji silnika prądu stałego, dlatego należy zwrócić uwagę na wybór materiałów szczotek węglowych.

2. Dlaczego silnik nie nadaje się do pracy z małym obciążeniem?

Gdy silnik pracuje przy małym obciążeniu, spowoduje to:

(1) Współczynnik mocy silnika jest niski;

(2) Sprawność silnika jest niska.

(3) Spowoduje to marnotrawstwo sprzętu i nieekonomiczne działanie.

3. Dlaczego silnik nie uruchamia się w zimnym otoczeniu?

Nadmierne używanie silnika w środowisku o niskiej temperaturze spowoduje:

(1) Pęknięcia izolacji silnika;

(2) Smar łożyskowy zamarza;

(3) Proszek lutowniczy złącza drutu jest sproszkowany.

Dlatego silnik powinien być ogrzewany i przechowywany w zimnym otoczeniu, a uzwojenia i łożyska powinny być sprawdzane przed uruchomieniem.

4. Dlaczego silnik 60 Hz nie może korzystać z zasilacza 50 Hz?

Gdy silnik jest zaprojektowany, blacha ze stali krzemowej na ogół działa w obszarze nasycenia krzywej magnesowania.Gdy napięcie zasilania jest stałe, zmniejszenie częstotliwości spowoduje wzrost strumienia magnetycznego i prądu wzbudzenia, co spowoduje wzrost prądu silnika i zużycia miedzi, co ostatecznie doprowadzi do wzrostu temperatury silnika.W ciężkich przypadkach silnik może się spalić z powodu przegrzania cewki.

5.Miękki start silnika

Miękki start ma ograniczony efekt oszczędzania energii, ale może zmniejszyć wpływ rozruchu na sieć energetyczną, a także może zapewnić płynny rozruch w celu ochrony jednostki silnikowej.Zgodnie z teorią zachowania energii, dzięki dodaniu stosunkowo złożonego obwodu sterującego, miękki start nie tylko nie oszczędza energii, ale także zwiększa jej zużycie.Ale może zmniejszyć prąd rozruchowy obwodu i odgrywać rolę ochronną.

10. Po zbudowaniu nowego projektu wszystkie układy napędowe wykorzystują silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, inwestycja w projekt jest zasadniczo taka sama jak w przypadku silników asynchronicznych, a projekt może nadal uzyskiwać korzyści w zakresie oszczędności energii po wprowadzeniu projektu operacja;

W ogólnym sektorze przemysłowym, zastępując niskonapięciowe (380/660/1140V) wysokowydajne silniki asynchroniczne, system oszczędza od 5% do 30% energii, a wysokonapięciowe (6kV/10kV) wysokosprawne silniki asynchroniczne , system oszczędza od 2% do 10%.