Οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη ενισχύουν την βιομηχανική απόδοση και ακρίβεια

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες κινούν την καρδιά της σύγχρονης βιομηχανίας και, μεταξύ αυτών, οι Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη (PMSMs) αναδεικνύονται ως μια ανώτερη λύση σε πολλούς τομείς. Τι πλεονεκτήματα προσφέρουν σε σχέση με τους παραδοσιακούς κινητήρες; Τι ευφυή σχέδια κρύβονται μέσα στη δομή τους; Ποιες μοναδικές στρατηγικές ελέγχου τους κάνουν να ξεχωρίζουν; Αυτό το άρθρο παρέχει μια ολοκληρωμένη ανάλυση της δομής, των αρχών λειτουργίας, των μεθόδων ελέγχου και των εφαρμογών των PMSM.

Ο Σύγχρονος Κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη (PMSM) είναι ένας τύπος σύγχρονου κινητήρα όπου το μαγνητικό πεδίο διέγερσης παρέχεται από μόνιμους μαγνήτες. Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ηλεκτρικά διεγειρόμενους σύγχρονους κινητήρες, οι PMSM εξαλείφουν την ανάγκη για πρόσθετες περιελίξεις διέγερσης και πηγές ενέργειας, με αποτέλεσμα μια πιο συμπαγή δομή και υψηλότερη απόδοση. Σε σύγκριση με τους επαγωγικούς κινητήρες, οι PMSM προσφέρουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, λόγο ροπής προς αδράνεια και ακρίβεια ελέγχου, καθιστώντας τους ιδανικούς για σερβομηχανισμούς υψηλής απόδοσης, ηλεκτρικά οχήματα, παραγωγή αιολικής ενέργειας και άλλες εφαρμογές.

Οι PMSM αποτελούνται κυρίως από δύο μέρη: τον στάτη και τον ρότορα. Ενώ η βασική τους δομή μοιάζει με τους συμβατικούς σύγχρονους κινητήρες, ο σχεδιασμός του ρότορα αντιπροσωπεύει την βασική τους καινοτομία.

Ο στάτης, το σταθερό εξάρτημα ενός PMSM, αποτελείται κυρίως από τον πυρήνα του στάτη και τις περιελίξεις του στάτη. Ο πυρήνας του στάτη είναι συνήθως ελασματοποιημένος από φύλλα χάλυβα πυριτίου για την ελαχιστοποίηση των απωλειών σιδήρου. Οι περιελίξεις του στάτη είναι ενσωματωμένες στις σχισμές του πυρήνα του στάτη, σχηματίζοντας πολυφασικές περιελίξεις AC, με διαμορφώσεις δύο φάσεων και τριών φάσεων να είναι οι πιο συνηθισμένες. Με βάση την κατανομή των περιελίξεων, οι περιελίξεις του στάτη μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως:

Οι κατανεμημένες περιελίξεις διαθέτουν πολλαπλές σχισμές ανά πόλο ανά φάση (Q=2,3,...k). Το πλεονέκτημά τους έγκειται στην αποτελεσματική καταστολή των υψηλότερων αρμονικών και στη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα, αν και η πολυπλοκότητα της κατασκευής αυξάνεται.

Οι συγκεντρωμένες περιελίξεις χρησιμοποιούν μία σχισμή ανά πόλο ανά φάση (Q=1). Ενώ είναι απλούστερες στην κατασκευή, δημιουργούν υψηλότερη περιεκτικότητα σε αρμονικές, απαιτώντας πρόσθετα μέτρα για την καταστολή των αρμονικών.

Ο ρότορας, το περιστρεφόμενο εξάρτημα, διαθέτει μόνιμους μαγνήτες ως βασική του καινοτομία. Με βάση την τοποθέτηση των μαγνητών, οι PMSM ταξινομούνται ως:

Στα SPMSM, οι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι απευθείας στην επιφάνεια του ρότορα. Αυτός ο σχεδιασμός παράγει σχεδόν ημιτονοειδή μαγνητικά πεδία χάσματος αέρα και απλοποιεί τον σχεδιασμό παραμέτρων επαγωγής, αλλά υποφέρει από χαμηλότερη μηχανική αντοχή και ευπάθεια των μαγνητών στις επιρροές του χάσματος αέρα.

Οι IPMSM ενσωματώνουν μαγνήτες μέσα στον ρότορα, προσφέροντας ανώτερη μηχανική αντοχή και την ικανότητα να χρησιμοποιούν ροπή απροθυμίας για αυξημένη πυκνότητα ροπής. Υπάρχουν διάφορες εσωτερικές διαμορφώσεις μαγνητών, συμπεριλαμβανομένων διατάξεων μονής στρώσης, πολλαπλών στρώσεων και τύπου V.

Περαιτέρω ταξινόμηση με βάση τον λόγο προεξοχής χωρίζει τους PMSM σε:

• PMSM με προεξέχοντες πόλους: Όπου η επαγωγή άξονα κατεύθυνσης (Ld) διαφέρει από την επαγωγή άξονα τετραγωνισμού (Lq).
• PMSM χωρίς προεξέχοντες πόλους: Όπου Ld ισούται με Lq.

Οι PMSM λειτουργούν μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτη και του πεδίου μόνιμου μαγνήτη του ρότορα. Όταν το συμμετρικό πολυφασικό ρεύμα AC ρέει μέσω των περιελίξεων του στάτη, δημιουργεί ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο μόνιμου μαγνήτη του ρότορα συγχρονίζεται με αυτό το περιστρεφόμενο πεδίο, παράγοντας ροπή που οδηγεί την περιστροφή. Η συγχρονισμένη λειτουργία συμβαίνει όταν η ταχύτητα του ρότορα ταιριάζει με την ταχύτητα περιστροφής του πεδίου του στάτη.

Παρόμοια με τους επαγωγικούς κινητήρες, το τριφασικό ρεύμα AC στις περιελίξεις του στάτη PMSM δημιουργεί ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Η ταχύτητα περιστροφής του πεδίου εξαρτάται από τη συχνότητα τροφοδοσίας και τα ζεύγη πόλων του στάτη:

n = 60f / p

Όπου n είναι η ταχύτητα περιστροφής (rpm), f είναι η συχνότητα (Hz) και p είναι ο αριθμός ζεύγους πόλων.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ των πεδίων μόνιμου μαγνήτη του ρότορα και των περιστρεφόμενων πεδίων του στάτη παράγει ηλεκτρομαγνητική ροπή. Το μέγεθος της ροπής εξαρτάται από την ένταση του πεδίου, τη γωνιακή τους σχέση και τις δομικές παραμέτρους του κινητήρα. Οι SPMSM παράγουν κυρίως ροπή μόνιμου μαγνήτη, ενώ οι IPMSM παράγουν τόσο ροπή μόνιμου μαγνήτη όσο και ροπή απροθυμίας λόγω του σχεδιασμού τους με προεξέχοντες πόλους.

Ο έλεγχος PMSM στοχεύει στην ακριβή ρύθμιση της ταχύτητας, της ροπής και της θέσης. Δεδομένης της μη γραμμικής, έντονα συζευγμένης φύσης τους, ο έλεγχος PMSM παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις. Οι κοινές προσεγγίσεις ελέγχου περιλαμβάνουν:

Αυτή η απλή μέθοδος ελέγχει την ταχύτητα του κινητήρα διατηρώντας μια σταθερή αναλογία τάσης προς συχνότητα. Ενώ είναι οικονομικά αποδοτική, προσφέρει περιορισμένη ακρίβεια και δυναμική απόδοση, καθιστώντας την ακατάλληλη για εφαρμογές υψηλής απόδοσης.

Αυτή η προηγμένη τεχνική αποσυνθέτει το ρεύμα του στάτη σε συνιστώσες διέγερσης και ροπής για ανεξάρτητο έλεγχο. Το FOC παρέχει υψηλή ακρίβεια και δυναμική απόκριση, αλλά απαιτεί πολύπλοκους αλγορίθμους που περιλαμβάνουν μετασχηματισμούς συντεταγμένων και αναγνώριση παραμέτρων.

Χρησιμοποιώντας τη ροή του ρότορα ως αναφορά, αυτή η μέθοδος αποσυνθέτει το ρεύμα του στάτη σε συνιστώσες άξονα d και άξονα q για ξεχωριστό έλεγχο διέγερσης και ροπής, επιτρέποντας γρήγορη απόκριση ροπής, αλλά απαιτεί ακριβή δεδομένα θέσης του ρότορα.

Αυτή η παραλλαγή χρησιμοποιεί τη ροή του στάτη ως αναφορά, εξαλείφοντας την άμεση εξάρτηση από τη θέση του ρότορα, αλλά αυξάνοντας την πολυπλοκότητα του αλγορίθμου.

Το DTC ρυθμίζει άμεσα τη ροπή ελέγχοντας τα διανύσματα τάσης του στάτη ώστε να ταιριάζουν με τις τιμές αναφοράς ροπής και ροής. Ενώ είναι δομικά απλό με εξαιρετική δυναμική, παράγει σημαντική κυμάτωση ροπής που απαιτεί μέτρα μετριασμού.

Η εξάλειψη των αισθητήρων θέσης μειώνει το κόστος και την πολυπλοκότητα. Οι κοινές τεχνικές χωρίς αισθητήρες περιλαμβάνουν:

Αυτή η μέθοδος εκτιμά τη θέση του ρότορα από παρατηρήσεις back-EMF, αλλά δυσκολεύεται σε χαμηλές ταχύτητες λόγω μικρών πλάτων σήματος που είναι ευάλωτα σε παρεμβολές θορύβου.

Με την έγχυση σημάτων υψηλής συχνότητας και την παρακολούθηση των μεταβολών της επαγωγής που προκαλούνται από τα φαινόμενα προεξοχής, αυτή η προσέγγιση λειτουργεί καλά για τους IPMSM, αλλά απαιτεί υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής.

Χρησιμοποιείται για PMSM με τραπεζοειδές back-EMF, αυτή η απλή μέθοδος παράγει σημαντική κυμάτωση ροπής. Οι υλοποιήσεις κλειστού βρόχου απαιτούν αισθητήρες Hall για ανατροφοδότηση θέσης.

Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς επαγωγικούς κινητήρες, οι PMSM προσφέρουν:

Η εξάλειψη του ρεύματος διέγερσης μειώνει τις απώλειες, ιδιαίτερα αισθητές υπό ελαφρά φορτία. Μελέτες δείχνουν ότι οι PMSM επιτυγχάνουν περίπου 2% υψηλότερη απόδοση από τους επαγωγικούς κινητήρες premium απόδοσης (IE3) υπό συγκρίσιμες συνθήκες.

Οι μόνιμοι μαγνήτες υψηλής ενέργειας επιτρέπουν ισχυρότερα μαγνητικά πεδία εντός συμπαγών διαστάσεων, παρέχοντας περισσότερη ισχύ ανά μονάδα όγκου.

Οι συμπαγείς σχεδιασμοί ρότορα με χαμηλή αδράνεια διευκολύνουν τις γρήγορες λειτουργίες εκκίνησης-διακοπής και την επιτάχυνση, ενισχύοντας τη δυναμική απόκριση.

Οι προηγμένες μέθοδοι ελέγχου όπως το FOC και το DTC επιτρέπουν την ακριβή ρύθμιση της ταχύτητας, της ροπής και της θέσης, καλύπτοντας τις απαιτητικές εφαρμογές σερβομηχανισμών.

Οι PMSM διαπρέπουν σε διάφορους τομείς:

Ιδανικοί για συστήματα πρόωσης EV, οι PMSM βελτιώνουν την εμβέλεια και την επιτάχυνση. Μεγάλοι κατασκευαστές όπως η Tesla και η BYD έχουν υιοθετήσει αυτήν την τεχνολογία.

Οι ανεμογεννήτριες PMSM άμεσης κίνησης εξαλείφουν τα κιβώτια ταχυτήτων, μειώνοντας τις μηχανικές απώλειες και τη συντήρηση, ενώ βελτιώνουν την αξιοπιστία σε σκληρά περιβάλλοντα.

Ως βασικά εξαρτήματα σε συστήματα σερβομηχανισμών υψηλής απόδοσης, οι PMSM καλύπτουν τις απαιτητικές απαιτήσεις των βιομηχανικών ρομπότ και των εργαλειομηχανών CNC.

Χρησιμοποιούνται ευρέως σε κλιματιστικά με μετατροπέα, πλυντήρια ρούχων και ψυγεία, οι PMSM ενισχύουν την ενεργειακή απόδοση, μειώνοντας παράλληλα τον θόρυβο και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής.

Με την ανώτερη απόδοση, την πυκνότητα ισχύος και την ακρίβεια ελέγχου, οι PMSM αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο στην τεχνολογία των κινητήρων. Καθώς τα υλικά μόνιμου μαγνήτη και οι αλγόριθμοι ελέγχου συνεχίζουν να εξελίσσονται, οι εφαρμογές θα επεκταθούν περαιτέρω στην ηλεκτρική κινητικότητα, την έξυπνη κατασκευή και την αεροδιαστημική. Η συνεχής έρευνα στον σχεδιασμό κινητήρων, τις στρατηγικές ελέγχου και τις τεχνικές χωρίς αισθητήρες υπόσχεται να οδηγήσει τη συνεχή ανάπτυξη των PMSM.