Struktura
Synchronní motor s permanentními magnety se skládá hlavně ze statoru, rotoru a koncového krytu. Stator je laminován lamelami, aby se snížily ztráty železa vznikající při běžícím motoru. Existují třífázové střídavé vinutí nazývané armatury. Rotor může být vyroben do pevné formy, nebo může být lisován lamelami, na kterých jsou instalovány materiály s permanentními magnety. Podle polohy materiálu permanentního magnetu na rotoru motoru lze synchronní motor s permanentními magnety rozdělit na dvě konstrukční formy: typ vyčnívající a typ vestavěný. Obrázek 1 ukazuje odpovídající schematický diagram. Struktura magnetického obvodu vyčnívajícího rotoru je jednoduchá a výrobní náklady jsou nízké, ale protože startovací vinutí nelze instalovat na povrch, nelze realizovat asynchronní spouštění.
Struktura magnetického obvodu vestavěného rotoru zahrnuje především tři typy: radiální, tangenciální a hybridní. Rozdíl mezi nimi spočívá ve vztahu mezi směrem magnetizace permanentního magnetu a směrem otáčení rotoru. Obrázek 2 ukazuje strukturu magnetického obvodu tří různých typů vestavěných rotorů. Protože permanentní magnety jsou umístěny uvnitř rotoru, lze z povrchu rotoru vytvořit pólové nástavce. Pólové nástavce jsou zabudovány do měděných tyčí nebo litého hliníku, aby hrály roli rozjezdu a tlumení, a stabilní stav a dynamický výkon jsou dobré. Navíc, protože vestavěný magnetický obvod rotoru je asymetrický, bude během provozu generován reluktanční moment, což pomáhá zlepšit hustotu výkonu a přetížitelnost samotného motoru a tato struktura je snazší pro dosažení slabé magnetické expanze rychlosti.
Princip činnosti
Když třífázový proud proudí do třífázového symetrického vinutí statoru synchronního motoru s permanentními magnety, magnetomotorická síla generovaná proudem syntetizuje rotaci s konstantní amplitudou Magnetomotorická síla . Protože jeho amplituda je konstantní, trajektorie této rotující magnetomotorické síly tvoří kruh, který se nazývá kruhová rotující magnetomotorická síla. Jeho velikost je přesně 1,5násobkem maximální amplitudy jednofázové magnetomotorické síly, tzn.
Ve vzorci je F kruhová rotační magnetomotorická síla (T·m); Fφl je maximální amplituda jednofázové magnetomotorické síly (T·m); k je základní koeficient vinutí; p je počet pólových párů motoru; N je počet sériových závitů každé cívky; I je efektivní hodnota proudu tekoucího v cívce A. Protože rychlost otáčení synchronního motoru s permanentními magnety je vždy synchronní, hlavní magnetické pole rotoru a rotující magnetické pole generované kruhovou rotační magnetomotorickou silou stator zůstává relativně statický. Tato dvě magnetická pole interagují a vytvářejí složené magnetické pole ve vzduchové mezeře mezi statorem a rotorem. Interakcí s hlavním magnetickým polem rotoru vzniká elektromagnetický točivý moment Te, tzn.
Ve vzorci je Te elektromagnetický točivý moment (N·m); 0 je výkonový úhel, rad; BR je rotor Hlavní magnetické pole, T; Bnet je syntetické magnetické pole vzduchové mezery, T. Díky rozdílu v polohovém vztahu mezi syntetickým magnetickým polem vzduchové mezery a hlavním magnetickým polem rotoru může synchronní motor s permanentními magnety běží buď ve stavu motoru nebo ve stavu generátoru. Tři provozní stavy synchronního motoru s permanentními magnety jsou znázorněny na obrázku 3. Když kompozitní magnetické pole se vzduchovou mezerou zaostává za hlavním magnetickým polem rotoru, generovaný elektromagnetický moment je opačný ke směru otáčení rotoru a motor je ve směru otáčení rotoru. stav výroby elektřiny; naopak, když složené magnetické pole se vzduchovou mezerou vede hlavní magnetické pole rotoru, generovaný elektromagnetický točivý moment je stejný jako točivý moment rotoru. Směr otáčení rotoru je stejný a motor je v tuto chvíli v elektrickém stavu. Úhel mezi hlavním magnetickým polem rotoru a složeným magnetickým polem vzduchové mezery se nazývá výkonový úhel.
Synchronní motor s permanentními magnety se skládá ze dvou klíčových součástí, a to multipolarizovaného rotoru s permanentními magnety a statoru s vhodně navrženým vinutím. Během provozu rotující multipolarizovaný rotor s permanentním magnetem vytváří časově proměnný magnetický tok ve vzduchové mezeře mezi rotorem a statorem. Tento tok generuje střídavé napětí na svorkách vinutí statoru, které tvoří základ pro výrobu energie. Synchronní motor s permanentním magnetem, o kterém se zde diskutuje, používá prstencový permanentní magnet namontovaný na feromagnetickém jádru. Synchronní motory s vnitřním permanentním magnetem zde nejsou uvažovány. Protože je velmi obtížné zabudovat magnety do galvanicky pokoveného feromagnetického jádra, použitím magnetů vhodné tloušťky (500 μm) a vysoce výkonných magnetických materiálů v jádrech rotoru a statoru může být vzduchová mezera velmi velká (300 ~ 500 μm ) Nedochází k žádné zjevné ztrátě výkonu, což způsobuje, že vinutí statoru zabírá určitý prostor ve vzduchové mezeře, což značně zjednodušuje výrobu synchronního motoru s permanentními magnety.
Klasifikace
Klasifikováno podle způsobu napájení budícího proudu
Synchronní motor s permanentními magnety je synchronní motor, který využívá permanentní magnety k vytvoření budícího magnetického pole a jeho stator generuje rotující magnetické pole. Rotor je vyroben z materiálu s permanentními magnety. Synchronní motory potřebují stejnosměrné magnetické pole k realizaci přeměny energie a stejnosměrný proud, který toto magnetické pole generuje, se nazývá budicí proud motoru.
Samostatně buzený motor: motor, který získává budicí proud z jiných zdrojů energie.
Motor s vlastním buzením: Motor, který získává budicí proud ze samotného motoru.
Klasifikace podle frekvence napájení
Bezkomutátorové motory s permanentními magnety zahrnují bezkomutátorové stejnosměrné motory s permanentními magnety a bezkomutátorové střídavé motory s permanentními magnety. Všechny motory potřebují, když běží, napájení s frekvenčním měničem. První vyžaduje pouze čtvercový měnič pro napájení a druhý vyžaduje sinusový měnič pro napájení.
Klasifikováno podle rozložení magnetického pole ve vzduchové mezeře
Sinusový synchronní motor s permanentním magnetem: Magnetické póly jsou vyrobeny z materiálů s permanentními magnety a při vstupu třífázového sinusového proudu , magnetické pole vzduchové mezery Distribuováno podle sinusového zákona, je zkráceně označováno jako synchronní motor s permanentními magnety.
synchronní motor s permanentními magnety s lichoběžníkovou vlnou: Magnetické póly jsou stále materiály s permanentními magnety, ale na vstupu je proud čtvercových vln, magnetické pole vzduchové mezery je distribuováno v lichoběžníkové vlně a výkon je blíže stejnosměrnému motoru. Samořídící synchronní motor s proměnnou frekvencí složený ze synchronního motoru s permanentními magnety s lichoběžníkovou vlnou se také nazývá bezkomutátorový stejnosměrný motor.
Způsob řízení
Způsob řízení synchronního motoru s konstantním poměrem napětí/frekvence s permanentními magnety
Poměr konstantního napětí/frekvence synchronního motoru s permanentním magnetem Způsob řízení je podobná metodě řízení poměru konstantního napětí a frekvence u střídavých indukčních motorů. Amplituda a frekvence vstupního napětí motoru jsou řízeny tak, aby se měnily současně, takže tok motoru je konstantní. Metoda řízení konstantního poměru napětí a frekvence se může přizpůsobit požadavkům široké škály systémů regulace rychlosti.
Za předpokladu, že nedochází k zpětnému získávání fyzických signálů, jako je proud, napětí nebo poloha, může stále dosáhnout určité přesnosti ovládání. To je největší výhoda metody řízení konstantního poměru napětí a frekvence. Metoda řízení s konstantním poměrem napětí a frekvence má jednoduchý řídicí algoritmus a nízké náklady na hardware a je široce používána v oblasti měničů pro všeobecné použití. Zjevné jsou i nedostatky metody řízení konstantního poměru napětí a frekvence. Protože během procesu řízení nedochází k žádné zpětné vazbě rychlosti, polohy nebo jiných signálů, je téměř nemožné získat informace o provozním stavu motoru a je také nemožné přesně řídit rychlost nebo elektromagnetický moment a výkon systému. Obecně platí, že dynamická odezva je špatná, zvláště když se daná cílová rychlost změní nebo se náhle změní zatížení, pravděpodobně se vyskytnou problémy, jako je překročení kroku a oscilace. Je zřejmé, že tento způsob řízení nemůže řídit točivý moment a budicí proud odděleně a je snadné mít během procesu řízení velký budicí proud, který ovlivňuje účinnost motoru. Proto se tento způsob řízení často používá u invertorů pro všeobecné použití s nízkými požadavky na výkon, jako jsou klimatizace, řízení pohonu pásového dopravníku montážní linky a energeticky úsporný provoz vodních čerpadel a ventilátorů.
Technologie přímého řízení točivého momentu u synchronního motoru s permanentním magnetem
Přímé řízení točivého momentu (Direct Self-Control, DSC) vytváří propojení toku a model elektromagnetického točivého momentu na statickém souřadnicovém systému statoru, elektromagnetický točivý moment a tok statoru propojení jsou řízeny aplikací různých vektorů napětí. Přímá metoda řízení točivého momentu má výhody jednoduchého algoritmu a dobré odezvy točivého momentu. Proto byla tato metoda široce používána v případech, které vyžadují vysokou přechodovou odezvu točivého momentu.
Vzhledem k inherentním nedostatkům řízení má metoda přímého řízení točivého momentu nízkou frekvenci řízení a velké zvlnění točivého momentu při nízkých otáčkách. Snížení zvlnění točivého momentu při nízkých otáčkách se proto také stalo aktivním bodem výzkumu v metodě přímého řízení točivého momentu. Sun Xiaohui a kol. snížit zvlnění točivého momentu při nízkých otáčkách optimalizací doby působení vektoru napětí a účinek je lepší. D.casadei a kol. aplikoval metodu přímého řízení točivého momentu na řízení střídavého indukčního motoru založenou na technologii diskrétní prostorové vektorové modulace, která snížila zvlnění točivého momentu.
Technologie vektorového řízení synchronního motoru s permanentními magnety
Technologie vektorového řízení se zrodila na počátku 70. let. Transformace rozloží nasbíraný třífázový statorový proud a tokovou vazbu motoru na dvě složky podle směru vazby rotorového toku, což je vektor otáčení. Jeden je podél směru vazby rotorového toku, který se nazývá budicí proud s přímou osou; druhý je ortogonální Ve směru toku rotoru se nazývá kvadraturní točivý moment. Upravte budicí proud a proud točivého momentu podle různých cílů řízení a poté realizujte přesné řízení rychlosti a točivého momentu, aby řídicí systém mohl získat dobré charakteristiky ustáleného stavu a dynamické odezvy.
Podle různých cílů řízení lze algoritmus vektorového řízení synchronního motoru s permanentními magnety rozdělit do následujících typů: řízení id=0, řízení maximálního momentu/proudu, řízení zeslabení pole atd. Těchto výkonnostních ukazatelů lze dosáhnout nezávislým řízením přímého budícího proudu osy a momentového proudu kvadraturní osy.
Výhody
Synchronní motor s permanentními magnety lze integrálně nainstalovat na nápravu a vytvořit tak integrovaný systém přímého pohonu, to znamená, že jedna náprava je pohonná jednotka, což eliminuje potřebu převodovky. Výhody synchronních motorů s permanentními magnety jsou následující:
Synchronní motory s permanentními magnety mají vysokou energetickou účinnost a vysoký účiník;
Permanentní Magnetický synchronní motor generuje málo tepla, takže chladicí systém motoru má jednoduchou strukturu, malé rozměry a nízkou hlučnost;
Systém využívá plně uzavřenou strukturu, žádné opotřebení převodovky, žádný hluk převodovky a žádný hluk převodovky. Mazací olej, bezúdržbový;
Přípustný přetěžovací proud synchronního motoru s permanentními magnety je velký a spolehlivost je výrazně zlepšena;
Celý převodový systém má nízkou hmotnost a neodpružená hmotnost je lehčí než u tradičních nápravových převodovek a výkon na jednotku hmotnosti je větší;
Vzhledem k tomu, že neexistuje žádná převodovka, může být systém podvozků navržen libovolně: Například flexibilní podvozky a jednonápravové podvozky výrazně zlepšují dynamický výkon vlaků.
Vzhledem k použití permanentních magnetických materiálových pólů, zejména použití permanentních magnetů kovů vzácných zemin (jako je neodym železo bor atd.), je jeho magnetický energetický produkt vysoký a vyšší vzduch mezera může být získána Hustota magnetického toku, takže když je kapacita stejná, motor má malé rozměry a nízkou hmotnost.
Rotor nemá žádné ztráty mědi a železa a nedochází ke ztrátám třením sběrného kroužku a kartáčů a účinnost provozu je vysoká.
Moment setrvačnosti je malý, přípustný pulzní moment je velký, tím vyšší zrychlení lze dosáhnout, dynamický výkon je dobrý, konstrukce je kompaktní a provoz spolehlivý.
Oblasti výzkumu
Charakteristiky točivého momentu motoru
Mnoho vědců a výzkumných institucí podniklo odvážné pokusy a inovace, aby zlepšili charakteristiky točivého momentu motoru vyrobeno v konstrukčním návrhu magnetického synchronního motoru a bylo provedeno mnoho nových vývojů. Aby se vyřešil rozpor mezi šířkou drážky a šířkou zubu, byla vyvinuta technologie stroje s příčným tokem. Cívka kotvy a ozubená konstrukce jsou v prostoru vertikální a hlavní magnetický tok cirkuluje podél axiálního směru motoru, což zlepšuje výkon motoru. Hustota výkonu: Dvouvrstvé uspořádání permanentních magnetů zlepšuje vodivost motoru v kvadraturní ose, čímž zvyšuje výstupní točivý moment a maximální výkon motoru; změna tvaru zubu statoru a tvaru magnetického pólu pro snížení zvlnění točivého momentu motoru atd.
Možnost rozšíření zeslabení pole
Po použití řízení zeslabení pole jsou provozní charakteristiky synchronních motorů s permanentními magnety vhodnější pro požadavky na pohon elektrických vozidel. V případě stejného požadavku na výkon se sníží kapacita měniče a zlepší se účinnost pohonného systému. Proto synchronní motory s permanentními magnety pro pohon elektrických vozidel obecně využívají zeslabování pole pro expanzi rychlosti. Z tohoto důvodu domácí i zahraniční výzkumné instituce navrhly různá řešení, jako je použití dvojité konstrukce statoru a různých vinutí při různých rychlostech pro maximalizaci využití magnetického pole permanentního magnetu; použití kompozitní konstrukce rotoru, kde rotor přidává sekci magnetického odporu pro řízení. Parametry reaktance přímých a kvadraturních hřídelů motoru zvyšují schopnost motoru rozšiřovat rychlost; stator má hluboké drážky pro zvýšení únikové reaktance přímého hřídele pro rozšíření rozsahu otáček motoru.
Teorie řízení motoru
Kvůli vlastnostem nelineárních a multivariabilních synchronních motorů s permanentními magnety je jejich řízení obtížné a řídicí algoritmus složitý a tradiční metody vektorového řízení často nemohou splnit požadavky. Z tohoto důvodu byly v systému řízení otáček synchronního motoru s permanentními magnety použity některé pokročilé metody řízení, včetně adaptivního pozorovatele, adaptivního referenčního modelu, metody vstřikování vysokofrekvenčního signálu, fuzzy regulace, genetického algoritmu a dalších inteligentních metod řízení. Tyto způsoby řízení nezávisí na matematickém modelu řídicího objektu a mají dobrou přizpůsobivost a robustnost. Mají jedinečné výhody pro systémy se silnou nelinearitou, jako jsou synchronní motory s permanentními magnety.