พารามิเตอร์ใดที่ควรคำนึงถึงในการออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร?

เนื่องจากความกะทัดรัดและความหนาแน่นของแรงบิดสูง มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรมหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบขับเคลื่อนประสิทธิภาพสูง เช่น ระบบขับเคลื่อนใต้น้ำมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรไม่จำเป็นต้องใช้สลิปริงในการกระตุ้น ช่วยลดการบำรุงรักษาและการสูญเสียโรเตอร์มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีประสิทธิภาพสูงและเหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อนประสิทธิภาพสูง เช่น เครื่องมือกล CNC หุ่นยนต์ และระบบการผลิตอัตโนมัติในอุตสาหกรรม

โดยทั่วไป การออกแบบและการสร้างมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะต้องพิจารณาทั้งโครงสร้างสเตเตอร์และโรเตอร์ เพื่อให้ได้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง

โครงสร้างของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร

ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กของช่องว่างอากาศ:พิจารณาจากการออกแบบมอเตอร์อะซิงโครนัส ฯลฯ การออกแบบโรเตอร์แม่เหล็กถาวร และการใช้ข้อกำหนดพิเศษสำหรับการสลับขดลวดสเตเตอร์ นอกจากนี้สันนิษฐานว่าสเตเตอร์เป็นสเตเตอร์แบบมีรูความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศถูกจำกัดด้วยความอิ่มตัวของแกนสเตเตอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความหนาแน่นฟลักซ์สูงสุดจะถูกจำกัดด้วยความกว้างของฟันเฟือง ในขณะที่ด้านหลังของสเตเตอร์จะกำหนดฟลักซ์รวมสูงสุด

นอกจากนี้ ระดับความอิ่มตัวที่อนุญาตยังขึ้นอยู่กับการใช้งานโดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะมีความหนาแน่นของฟลักซ์ต่ำกว่า ในขณะที่มอเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อความหนาแน่นของแรงบิดสูงสุดจะมีความหนาแน่นของฟลักซ์สูงกว่าความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศสูงสุดมักจะอยู่ในช่วง 0.7–1.1 เทสลาควรสังเกตว่านี่คือความหนาแน่นของฟลักซ์ทั้งหมด นั่นคือผลรวมของฟลักซ์ของโรเตอร์และสเตเตอร์ซึ่งหมายความว่าหากแรงปฏิกิริยาของกระดองต่ำ หมายความว่าแรงบิดในการจัดตำแหน่งสูง

อย่างไรก็ตาม เพื่อให้บรรลุถึงการมีส่วนร่วมของแรงบิดแบบฝืนใจขนาดใหญ่ แรงปฏิกิริยาของสเตเตอร์จะต้องมีขนาดใหญ่พารามิเตอร์ของเครื่องจักรแสดงให้เห็นว่าส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีตัวเหนี่ยวนำ L ขนาดใหญ่และขนาดเล็กเพื่อให้ได้แรงบิดในแนวตำแหน่งโดยปกติจะเหมาะสำหรับการทำงานที่ต่ำกว่าความเร็วพื้นฐานเนื่องจากการเหนี่ยวนำสูงจะช่วยลดตัวประกอบกำลัง

วัสดุแม่เหล็กถาวร:

แม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์หลายชนิด ดังนั้นการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุเหล่านี้จึงมีความสำคัญมาก และในปัจจุบันความสนใจมุ่งเน้นไปที่ธาตุหายากและวัสดุที่ทำจากโลหะทรานซิชันซึ่งสามารถได้รับแม่เหล็กถาวรที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กสูงแม่เหล็กมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กและทางกลที่แตกต่างกัน และมีความต้านทานการกัดกร่อนที่แตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยี

แม่เหล็ก NdFeB (Nd2Fe14B) และซาแมเรียมโคบอลต์ (Sm1Co5 และ Sm2Co17) เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรเชิงพาณิชย์ที่ทันสมัยที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบันภายในแม่เหล็กหายากแต่ละประเภทจะมีเกรดหลากหลายแม่เหล็ก NdFeB ถูกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในช่วงต้นทศวรรษ 1980มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันในการใช้งานที่แตกต่างกันมากมายต้นทุนของวัสดุแม่เหล็กนี้ (ต่อผลิตภัณฑ์พลังงาน) เทียบได้กับแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ และแม่เหล็ก NdFeB มีราคาต่อกิโลกรัมมากกว่าแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ประมาณ 10 ถึง 20 เท่า

คุณสมบัติที่สำคัญบางประการที่ใช้ในการเปรียบเทียบแม่เหล็กถาวร ได้แก่ รีมาเนนซ์ (Mr) ซึ่งวัดความแรงของสนามแม่เหล็กแม่เหล็กถาวร แรงบีบบังคับ (Hcj) ความสามารถของวัสดุในการต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็ก ผลิตภัณฑ์พลังงาน (BHmax) พลังงานแม่เหล็กความหนาแน่น ; อุณหภูมิกูรี (TC) คืออุณหภูมิที่วัสดุสูญเสียอำนาจแม่เหล็กแม่เหล็กนีโอไดเมียมมีการรีแมนซ์ที่สูงกว่า แรงบังคับและผลิตภัณฑ์พลังงานที่สูงกว่า แต่โดยทั่วไปจะมีอุณหภูมิประเภทคูรีต่ำกว่า นีโอไดเมียมทำงานร่วมกับเทอร์เบียมและไดสโพรเซียมเพื่อรักษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง

การออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร

ในการออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) การสร้างโรเตอร์แม่เหล็กถาวรจะขึ้นอยู่กับโครงสเตเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส โดยไม่เปลี่ยนรูปทรงของสเตเตอร์และขดลวดข้อมูลจำเพาะและรูปทรงประกอบด้วย: ความเร็วมอเตอร์ ความถี่ จำนวนขั้ว ความยาวสเตเตอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในและด้านนอก จำนวนช่องโรเตอร์การออกแบบ PMSM รวมถึงการสูญเสียทองแดง, EMF ด้านหลัง, การสูญเสียเหล็กและการเหนี่ยวนำตนเองและร่วมกัน, ฟลักซ์แม่เหล็ก, ความต้านทานสเตเตอร์ ฯลฯ

การคำนวณการเหนี่ยวนำตนเองและการเหนี่ยวนำร่วมกัน:

ตัวเหนี่ยวนำ L สามารถกำหนดได้ว่าเป็นอัตราส่วนของการเชื่อมโยงฟลักซ์กับกระแส I ที่สร้างฟลักซ์ในเฮนรี่ (H) เท่ากับเวเบอร์ต่อแอมแปร์ ตัวเหนี่ยวนำคืออุปกรณ์ที่ใช้เก็บพลังงานในสนามแม่เหล็ก คล้ายกับวิธีที่ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานในสนามไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำมักจะประกอบด้วยขดลวด ซึ่งมักจะพันรอบแกนเฟอร์ไรต์หรือแกนเฟอร์โรแมกเนติก และค่าความเหนี่ยวนำจะสัมพันธ์กับโครงสร้างทางกายภาพของตัวนำและการซึมผ่านของวัสดุที่ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านเท่านั้น

ขั้นตอนในการค้นหาความเหนี่ยวนำมีดังนี้:1. สมมติว่ามีกระแส I ในตัวนำ2. ใช้กฎของ Biot-Savart หรือกฎของ Ampere (ถ้ามี) เพื่อพิจารณาว่า B มีความสมมาตรเพียงพอ3. คำนวณฟลักซ์รวมที่เชื่อมต่อวงจรทั้งหมด4. คูณฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดด้วยจำนวนลูปเพื่อให้ได้การเชื่อมต่อฟลักซ์ และดำเนินการออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรโดยการประเมินพารามิเตอร์ที่ต้องการ

การศึกษาพบว่าการออกแบบการใช้ NdFeB เป็นวัสดุโรเตอร์แม่เหล็กถาวร AC ช่วยเพิ่มฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่องว่างอากาศ ส่งผลให้รัศมีภายในของสเตเตอร์ลดลง ในขณะที่รัศมีภายในของสเตเตอร์โดยใช้ซาแมเรียมโคบอลต์ถาวร วัสดุโรเตอร์แม่เหล็กมีขนาดใหญ่ขึ้นผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการสูญเสียทองแดงที่มีประสิทธิผลใน NdFeB ลดลง 8.124%สำหรับซาแมเรียมโคบอลต์ที่เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวร ฟลักซ์แม่เหล็กจะเป็นรูปแบบไซน์ซอยด์โดยทั่วไป การออกแบบและการสร้างมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะต้องพิจารณาทั้งโครงสร้างสเตเตอร์และโรเตอร์ เพื่อให้ได้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง

สรุปแล้ว

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) เป็นมอเตอร์ซิงโครนัสที่ใช้วัสดุแม่เหล็กสูงในการทำให้เกิดแม่เหล็ก และมีคุณลักษณะประสิทธิภาพสูง โครงสร้างเรียบง่าย และควบคุมง่ายมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรนี้มีการใช้งานในด้านแรงฉุด ยานยนต์ หุ่นยนต์ และเทคโนโลยีการบินและอวกาศ ความหนาแน่นของกำลังของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรนั้นสูงกว่าของมอเตอร์เหนี่ยวนำที่มีพิกัดเดียวกัน เนื่องจากไม่มีกำลังสเตเตอร์ที่ใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กโดยเฉพาะ -

ในปัจจุบัน การออกแบบ PMSM ไม่เพียงต้องการพลังงานที่สูงขึ้นเท่านั้น แต่ยังต้องใช้มวลที่ต่ำกว่าและโมเมนต์ความเฉื่อยที่ต่ำกว่าอีกด้วย