Aufgrund ihrer Kompaktheit und hohen Drehmomentdichte werden Permanentmagnet-Synchronmotoren in vielen industriellen Anwendungen häufig eingesetzt, insbesondere in Hochleistungsantriebssystemen wie U-Boot-Antriebssystemen. Permanentmagnet-Synchronmotoren erfordern keine Schleifringe zur Erregung, wodurch der Rotorwartungsaufwand und die Rotorverluste reduziert werden. Permanentmagnet-Synchronmotoren sind hocheffizient und eignen sich für Hochleistungsantriebssysteme wie CNC-Werkzeugmaschinen, Roboter und automatische Produktionssysteme in der Industrie. Typischerweise müssen bei der Konstruktion und Konstruktion von Permanentmagnet-Synchronmotoren sowohl die Stator- als auch die Rotorstruktur berücksichtigt werden, um einen Hochleistungsmotor zu erhalten.

Aufbau eines Permanentmagnet-Synchronmotors

Luftspalt-Flussdichte: Wird anhand der Konstruktion des Asynchronmotors usw., der Konstruktion des Permanentmagnetrotors und der besonderen Anforderungen für die Verwendung von schaltenden Statorwicklungen bestimmt. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Stator um einen geschlitzten Stator handelt. Die Luftspaltflussdichte wird durch die Sättigung des Statorkerns begrenzt. Insbesondere wird die Spitzenflussdichte durch die Zahnbreite begrenzt, während der Statorrücken den maximalen Gesamtfluss bestimmt. Darüber hinaus hängt der zulässige Sättigungsgrad von der Anwendung ab. Typischerweise haben Motoren mit hohem Wirkungsgrad niedrigere Flussdichten, während Motoren, die für maximale Drehmomentdichte ausgelegt sind, höhere Flussdichten aufweisen. Die maximale Luftspaltflussdichte liegt normalerweise im Bereich von 0.7–1.1 Tesla. Es ist zu beachten, dass es sich hierbei um die Gesamtflussdichte handelt, also um die Summe der Rotor- und Statorflüsse. Das heißt, je kleiner die Ankerreaktionskraft ist, desto höher ist das Ausrichtmoment. Um jedoch einen großen Reluktanzdrehmomentbeitrag zu erreichen, muss die Statorreaktionskraft groß sein. Die Maschinenparameter zeigen, dass zur Erzielung des Ausrichtmoments vor allem eine große m und eine kleine Induktivität L benötigt werden. Dies gilt im Allgemeinen für den Betrieb unterhalb der Grundgeschwindigkeit, da eine hohe Induktivität den Leistungsfaktor verringert.

Permanentmagnetmaterial:

Magnete spielen in vielen Geräten eine wichtige Rolle, daher ist es sehr wichtig, die Leistung dieser Materialien zu verbessern. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf Materialien auf der Basis von Seltenerdmetallen und Übergangsmetallen, mit denen Permanentmagnete mit hohen magnetischen Eigenschaften erhalten werden können. Abhängig von der Technologie haben Magnete unterschiedliche magnetische und mechanische Eigenschaften und weisen eine unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit auf. Neodym-Eisen-Bor- (Nd2Fe14B) und Samarium-Kobalt-Magnete (Sm1Co5 und Sm2Co17) sind heute die fortschrittlichsten kommerziellen Permanentmagnetmaterialien. Innerhalb jeder Kategorie von Seltenerdmagneten gibt es eine große Vielfalt an Qualitäten. NdFeB-Magnete wurden Anfang der 1980er Jahre kommerziell erhältlich. Sie werden heute in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Die Kosten dieses Magnetmaterials (pro Energieprodukt) sind vergleichbar mit den Kosten von Ferritmagneten, die pro Kilogramm etwa 10 bis 20 Mal teurer sind.

Einige wichtige Eigenschaften, die zum Vergleich von Permanentmagneten verwendet werden, sind die Remanenz (Mr), die die Stärke des Magnetfelds des Permanentmagneten misst, die Koerzitivkraft (Hcj), die Fähigkeit des Materials, der Entmagnetisierung zu widerstehen, das Energieprodukt (BHmax), die magnetische Energiedichte; Curie-Temperatur (TC), die Temperatur, bei der das Material seinen Magnetismus verliert. Neodym-Magnete haben eine höhere Remanenz, eine höhere Koerzitivfeldstärke und ein höheres Energieprodukt, aber im Allgemeinen Typen mit niedrigerer Curie-Temperatur. Neodym konkurriert mit Terbium und Dysprosium, um seinen Magnetismus bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Permanentmagnet-Synchronmotor-Design

Bei der Konstruktion eines Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) basiert der Aufbau des Permanentmagnetrotors auf dem Statorrahmen des Drehstrom-Induktionsmotors, ohne die Geometrie des Stators und der Wicklungen zu verändern. Zu den Spezifikationen und der Geometrie gehören Motordrehzahl, Frequenz, Anzahl der Pole, Statorlänge, Innen- und Außendurchmesser sowie Anzahl der Rotorschlitze. Das Design eines Permanentmagnet-Synchronmotors umfasst Kupferverlust, gegenelektromotorische Kraft, Eisenverlust, Selbstinduktivität und gegenseitige Induktivität, magnetischen Fluss, Statorwiderstand usw.

Berechnung der Selbstinduktivität und Gegeninduktivität: Die Induktivität L kann als das Verhältnis der Flussverkettung zum Strom I definiert werden, der den magnetischen Fluss erzeugt. Die Einheit ist Henry (H), was Weber pro Ampere entspricht. Ein Induktor ist ein Gerät zum Speichern von Energie in einem Magnetfeld, ähnlich wie ein Kondensator Energie in einem elektrischen Feld speichert. Ein Induktor besteht normalerweise aus einer Drahtspule, die normalerweise um einen Ferrit- oder ferromagnetischen Kern gewickelt ist, und sein Induktivitätswert hängt nur von der physikalischen Struktur des Leiters und der Permeabilität des Materials ab, durch das der Fluss fließt.

Die Schritte zum Ermitteln der Induktivität sind wie folgt:

1. Nehmen Sie an, dass im Leiter ein Strom I fließt.
2. Verwenden Sie das Biot-Savart-Gesetz oder das Ampere-Schaltkreisgesetz (falls verfügbar), um zu bestimmen, dass B ausreichend symmetrisch ist.
3. Berechnen Sie den Gesamtfluss, der alle Schleifen verbindet.
4. Multiplizieren Sie den gesamten magnetischen Fluss mit der Anzahl der Schleifen, um die Flussverknüpfung zu erhalten, und entwerfen Sie dann den Permanentmagnet-Synchronmotor, indem Sie die erforderlichen Parameter bewerten.

Die Studie ergab, dass das Design mit Neodym-Eisen-Bor als AC-Permanentmagnet-Rotormaterial den im Luftspalt erzeugten magnetischen Fluss erhöhte, was zu einer Verringerung des Innenradius des Stators führte, während der Innenradius des Stators mit Samarium-Kobalt-Permanentmagneten reduziert wurde Das Material des Magnetrotors war größer. Die Ergebnisse zeigen, dass der effektive Kupferverlust in NdFeB um 8.124 % reduziert wird. Bei Samarium-Kobalt als Permanentmagnetmaterial ist der magnetische Fluss eine sinusförmige Variation. Typischerweise müssen bei der Konstruktion und Konstruktion von Permanentmagnet-Synchronmotoren sowohl die Stator- als auch die Rotorstruktur berücksichtigt werden, um einen Hochleistungsmotor zu erhalten.

In Fazit

Die Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist ein Synchronmotor, der zur Magnetisierung hochmagnetische Materialien nutzt. Es zeichnet sich durch hohe Effizienz, einfache Struktur und einfache Steuerung aus. Diese Art von Permanentmagnet-Synchronmotoren findet Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Traktion, Automobil, Robotik und Luft- und Raumfahrttechnik. Die Leistungsdichte eines Permanentmagnet-Synchronmotors ist höher als die eines Induktionsmotors gleicher Leistung, da keine Statorleistung für die Erzeugung des Magnetfelds vorgesehen ist. Derzeit erfordert die Konstruktion von Permanentmagnet-Synchronmotoren nicht nur eine größere Leistung, sondern auch eine geringere Masse und eine geringere Rotationsträgheit.