Die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren erfolgt in den meisten Fällen über einen Frequenzumrichter (VFD). Während in vielen Szenarien VFDs mit Induktionsmotoren mit Statorwicklungen zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds verwendet werden, können sie auch eine präzise Geschwindigkeitssteuerung mithilfe von Geschwindigkeits- oder Positionsrückmeldungssensoren als Referenz für den VFD erreichen.

In manchen Situationen ist es möglich, eine vergleichsweise präzise Geschwindigkeitsregelung zu erreichen, ohne dass Feedback-Sensoren erforderlich sind. Möglich wird dies mit a Permanentmagnetmotor (PM). und ein Prozess, der als „Hochfrequenzsignal-Injektionsverfahren“ bezeichnet wird.

1. PM-Motoren

A PM-Motor ist ein Wechselstrommotor, der Magnete verwendet, die in den Rotor des Motors eingebettet oder daran befestigt sind. Die Magnete werden verwendet, um einen konstanten Motorfluss zu erzeugen, anstatt dass das Statorfeld einen solchen erzeugen muss, indem es mit dem Rotor verbunden ist, wie es bei einem Induktionsmotor der Fall ist. Ein vierter Motor, bekannt als Line-Start-PM-Motor (LSPM), vereint die Eigenschaften beider Motoren. Ein LSPM-Motor enthält die Magnete eines PM-Motors im Rotor und die Rotorstäbe eines Käfigläufermotors, um Drehmoment und Effizienz zu maximieren.

2. Gegen-EMK-Wellenform

Gegen-EMK ist die Abkürzung für Gegenelektromotorische Kraft, wird aber auch als Gegenelektromotorische Kraft bezeichnet. Die gegenelektromotorische Kraft ist die Spannung, die bei Elektromotoren auftritt, wenn eine Relativbewegung zwischen den Statorwicklungen und dem Magnetfeld des Rotors stattfindet. Die geometrischen Eigenschaften des Rotors bestimmen die Form der Gegen-EMK-Wellenform. Diese Wellenformen können sinusförmig, trapezförmig, dreieckig oder etwas dazwischen sein.

Sowohl Induktions- als auch PM-Maschinen erzeugen Gegen-EMK-Wellenformen. Bei einer Induktionsmaschine nimmt die Gegen-EMK-Wellenform ab, da das verbleibende Rotorfeld aufgrund des Fehlens eines Statorfelds langsam abnimmt. Bei einer PM-Maschine erzeugt der Rotor jedoch ein eigenes Magnetfeld. Daher kann in den Statorwicklungen immer dann eine Spannung induziert werden, wenn sich der Rotor bewegt. Die Gegen-EMK-Spannung steigt linear mit der Geschwindigkeit und ist ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung der maximalen Betriebsgeschwindigkeit.

3. Das Drehmoment der PM-Maschine verstehen

Das Drehmoment einer elektrischen Maschine kann in zwei Komponenten zerlegt werden: magnetisches Drehmoment und Reluktanzdrehmoment. Das Reluktanzdrehmoment ist die „Kraft, die auf das magnetische Material wirkt und dazu neigt, sich dem Hauptfluss auszurichten, um die Reluktanz zu minimieren.“ Mit anderen Worten: Das Reluktanzdrehmoment ist das Drehmoment, das durch die Ausrichtung der Rotorwelle zum Statorflussfeld erzeugt wird. Das magnetische Drehmoment ist das „Drehmoment, das durch die Wechselwirkung zwischen dem Flussfeld des Magneten und dem Strom in der Statorwicklung erzeugt wird“.

Reluktanzdrehmoment: Das Reluktanzdrehmoment bezieht sich auf das Drehmoment, das durch die Ausrichtung des Rotors erzeugt wird und auftritt, wenn das Magnetfeld einen gewünschten direkten Fluss vom Nordpol des Stators zum Südpol des Stators erzwingt.

Magnetisches Drehmoment: Permanentmagnete erzeugen im Rotor ein Flussfeld. Der Stator erzeugt ein Feld, das mit dem Magnetfeld des Rotors interagiert. Eine Änderung der Position des Statorfeldes relativ zum Rotorfeld führt zu einer Verschiebung des Rotors. Die durch diese Wechselwirkung verursachte Verschiebung ist das magnetische Drehmoment.

4. SPM versus IPM

Ein PM-Motor kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Oberflächen-Permanentmagnetmotoren (SPM) und Innen-Permanentmagnetmotoren (IPM). Keiner der Motordesigntypen enthält Rotorstäbe. Beide Typen erzeugen einen magnetischen Fluss durch die Permanentmagnete, die am Rotor oder im Inneren des Rotors angebracht sind.

Bei SPM-Motoren sind Magnete an der Außenseite der Rotoroberfläche angebracht. Aufgrund dieser mechanischen Lagerung ist ihre mechanische Festigkeit schwächer als die von IPM-Motoren. Die geschwächte mechanische Festigkeit begrenzt die maximale sichere mechanische Geschwindigkeit des Motors. Darüber hinaus weisen diese Motoren eine sehr begrenzte magnetische Ausprägung auf (Ld ≈ Lq). Die an den Rotoranschlüssen gemessenen Induktivitätswerte sind unabhängig von der Rotorposition konsistent. Aufgrund des nahezu einsigen Ausprägungsverhältnisses verlassen sich SPM-Motorkonstruktionen in erheblichem Maße, wenn nicht sogar vollständig, auf die magnetische Drehmomentkomponente, um Drehmoment zu erzeugen.

IPM-Motoren verfügen über einen Permanentmagneten, der in den Rotor selbst eingebettet ist. Im Gegensatz zu ihren SPM-Gegenstücken sind IPM-Motoren aufgrund der Anordnung der Permanentmagnete mechanisch sehr stabil und für den Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen geeignet. Diese Motoren zeichnen sich auch durch ihr relativ hohes magnetisches Ausprägungsverhältnis (Lq > Ld) aus. Aufgrund ihrer magnetischen Ausprägung ist ein IPM-Motor in der Lage, Drehmoment zu erzeugen, indem er sowohl die magnetischen als auch die Reluktanzdrehmomentkomponenten des Motors nutzt.

5. PM-Motorstrukturen

PM-Motorstrukturen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Innenraum und Oberfläche. Jede Kategorie hat ihre Untergruppe von Kategorien. Bei einem Oberflächen-PM-Motor können die Magnete auf oder in die Oberfläche des Rotors eingelassen sein, um die Robustheit des Designs zu erhöhen. Die Positionierung und das Design eines Permanentmagnetmotors im Inneren können stark variieren. Die Magnete des IPM-Motors können als großer Block eingesetzt oder versetzt angeordnet werden, je näher sie dem Kern kommen. Eine andere Methode besteht darin, sie in ein Speichenmuster einzubetten.

6. Schwankung der Induktivität des PM-Motors mit der Last

Nur so viel Fluss kann mit einem Stück Eisen verbunden werden, um ein Drehmoment zu erzeugen. Mit der Zeit wird das Eisen gesättigt und das Flussmittel kann sich nicht mehr verbinden. Das Ergebnis ist eine Verringerung der Induktivität des Pfades, den ein Flussfeld nimmt. In einer PM-Maschine verringern sich die Induktivitätswerte der d- und q-Achse mit zunehmendem Laststrom.

Die d- und q-Achsen-Induktivitäten eines SPM-Motors sind nahezu identisch. Da sich der Magnet außerhalb des Rotors befindet, sinkt die Induktivität der q-Achse im gleichen Maße wie die Induktivität der d-Achse. Die Induktivität eines IPM-Motors verringert sich jedoch unterschiedlich. Auch hier ist die Induktivität der d-Achse natürlicherweise geringer, da sich der Magnet im Flusspfad befindet und keine induktive Eigenschaft erzeugt. Daher muss in der d-Achse weniger Eisen gesättigt werden, was zu einer deutlich geringeren Reduzierung des Flusses in Bezug auf die q-Achse führt.

7. Flussschwächung/-intensivierung von PM-Motoren

Der Fluss in einem Permanentmagnetmotor wird durch die Magnete erzeugt. Das Flussfeld folgt einem bestimmten Weg, der verstärkt oder entgegengesetzt werden kann. Durch die Verstärkung oder Intensivierung des Flussfeldes kann der Motor vorübergehend die Drehmomenterzeugung steigern. Wenn Sie dem Flussfeld entgegenwirken, wird das vorhandene Magnetfeld des Motors aufgehoben. Das reduzierte Magnetfeld begrenzt die Drehmomenterzeugung, verringert jedoch die Gegen-EMK-Spannung. Die reduzierte Gegen-EMK-Spannung gibt die Spannung frei, um den Motor dazu zu bringen, mit höheren Ausgangsgeschwindigkeiten zu arbeiten. Beide Betriebsarten erfordern zusätzlichen Motorstrom. Die vom Motorcontroller vorgegebene Richtung des Motorstroms entlang der d-Achse bestimmt den gewünschten Effekt.

8. Selbsterkennung im Vergleich zum Betrieb mit geschlossenem Regelkreis

Jüngste Fortschritte in der Antriebstechnologie ermöglichen es Standard-AC-Antrieben, die Position des Motormagneten „selbst zu erkennen“ und zu verfolgen. Ein System mit geschlossenem Regelkreis nutzt typischerweise den Z-Pulse-Kanal, um die Leistung zu optimieren. Durch bestimmte Routinen kennt der Antrieb die genaue Position des Motormagneten, indem er die A/B-Kanäle verfolgt und Fehler mit dem Z-Kanal korrigiert. Die Kenntnis der genauen Position des Magneten ermöglicht eine optimale Drehmomenterzeugung und damit einen optimalen Wirkungsgrad.