Как спроектировать высокоэффективный двигатель PMSM?

Проектированиевысокоэффективного синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM) требует тщательного учета электромагнитных, тепловых и механических аспектов. Ниже представлен структурированный подход к оптимизации эффективности PMSM:

1. Основные задачи проектирования высокоэффективного PMSM

• Максимальная эффективность (стандарты IE4/IE5)
• Минимизация потерь (медных, железных, механических, паразитных)
• Оптимизация плотности крутящего момента и коэффициента мощности
• Обеспечение термостабильности и надежности

2. Особенности электромагнитного проектирования

A.Конструкция статора

• Материал для ламинирования:
(1) Используйте высококачественную кремнистую сталь (M19, M15 или аморфный металл) для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.
(2) Более тонкие слои (0,2 мм-0,35 мм) снижают потери на высоких частотах в результате вихревых воздействий.

• Конфигурация пазов и обмоток:
(1) Сосредоточенные обмотки с частичным пазом (FSCW) снижают потери на концевых витках.
(2) Распределенные обмотки улучшают синусоидальную обратную ЭДС (улучшают управление фокусом).
(3) Литцевый провод для высокочастотной работы, чтобы минимизировать потери от поверхностного эффекта.

• Оптимальное сочетание полюсов и пазов:
(1) Избегайте чрезмерного крутящего момента (например, 8-полюсный / 9-пазовый, 12-полюсный/ 9-пазовый).

(2) Используйте наклонные пазы/магниты для уменьшения пульсаций крутящего момента.

B.Конструкция ротора

• Выбор постоянных магнитов:
(1) NdFeB (N52, N42SH) для обеспечения максимальной плотности энергии.
(2) Ферритовые магниты для экономичных применений.

• Расположение магнитов:
(1) SPM (поверхностный монтаж PM): Более простой, но более низкий уровень механической прочности.
(2) IPM (Внутренний PM): Лучший момент затяжки и механическая прочность.

• Оптимизация воздушного зазора:
Меньший зазор и, реже, более высокая плотность потока, но при этом необходимо избегать механических воздействий.

3. Методы минимизации потерь

4.Управление температурой

• Методы охлаждения:
Естественная конвекция (для небольших двигателей).
Принудительное воздушное/жидкостное охлаждение (двигатели большой мощности).

Тепловое моделирование:
Используйте ANSYS Motor-CAD, COMSOL для прогнозирования горячих точек.

Материалы с высокой теплопроводностью:
Герметизирующие смолы с хорошим отводом тепла.

5. Стратегия управления эффективностью

Полевое управление (FOC) для оптимального соотношения крутящего момента и скорости.
Алгоритм максимального крутящего момента на ампер (MTPA) для эффективности при низкой нагрузке.
Слабое регулирование потока для работы на высокой скорости.

6. Механическая конструкциядля повышения эффективности
Прецизионные подшипники (керамический гибрид для высокоскоростных подшипников).
Динамическая балансировка ротора для снижения вибрационных потерь.
Легкие материалы (втулки из углеродного волокна для роторов SPM).

7. Моделирование и валидация

Инструменты для анализа методом конечных элементов (FEA):
JMAG, Flux, ANSYS Maxwell для электромагнитной оптимизации.

Тестирование прототипа:
Измерьте карты эффективности (стандарт ISO 11205). Проверьте пульсации крутящего момента, зубчатость и гармоники.

Пример: Технические характеристики высокоэффективного PMSM

Вывод

Разработка высокоэффективного PMSM включает в себя:
✔ Материалы с низким уровнем потерь (кремниевая сталь, магниты NdFeB).
✔ Оптимальная электромагнитная конструкция (полюсный паз, тип обмотки).
✔ Усовершенствованное управление (FOC + MTPA).
✔ Термическая и механическая оптимизация.

Хотите получить пошаговое руководство по моделированию или практическое руководство по конкретному размеру двигателя? Воспользуйтесь функцией Power Jack Motion для проектирования двигателя PMSM.