Motori a magneti permanenti montati in superficie e motori a magneti permanenti interni
- Ethan
- Base di conoscenze
I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono attualmente il tipo di motore più diffuso nei veicoli a nuova energia e negli azionamenti industriali ad alta efficienza. Il loro cuore sta nell'utilizzo di magneti permanenti ad alte prestazioni per generare direttamente un campo magnetico costante sul rotore, ottenendo un funzionamento sincrono brushless, senza slittamento e ad alta efficienza. In base alla posizione di montaggio dei magneti permanenti sul rotore e alle caratteristiche del circuito magnetico, i PMSM si dividono principalmente in due categorie: motori sincroni a magneti permanenti di superficie (SPM) e motori sincroni a magneti permanenti interni (IPM).
- I motori SPM hanno magneti permanenti attaccati alla superficie esterna del nucleo del rotore.
- I motori SPM hanno un processo di produzione semplice, ma la progettazione del loro circuito magnetico è generalmente meno sofisticata.
- I motori SPM sono adatti per applicazioni di potenza medio-bassa.
- I motori IPM incorporano i magneti permanenti all'interno del nucleo del rotore.
- I motori IPM hanno un'elevata resistenza meccanica e un eccellente design del circuito magnetico.
- I motori magnetici IPM sono adatti per applicazioni ad alta velocità e ad alta potenza.
Contenuti
Punti di forza
- La struttura di base di un PMSM comprende statore, rotore, traferro e componenti ausiliari come testate e cuscinetti.
- I PMSM si dividono principalmente in due categorie: motori sincroni a magneti permanenti di superficie (SPM) e motori sincroni a magneti permanenti interni (IPM).
- Il principio di funzionamento degli SPM e degli IPM si basa sull'interazione elettromagnetica e sulla sincronizzazione del campo magnetico.
- I motori a magneti permanenti di superficie (SPM) fissano direttamente i magneti permanenti a forma di arco sulla superficie esterna del nucleo del rotore. Il processo di produzione è semplice e il costo è relativamente basso. Sono adatti per i servomotori a velocità medio-bassa, per i motori DC brushless di piccola potenza e per alcune vecchie apparecchiature.
- I motori a magneti permanenti interni (IPM) incorporano magneti permanenti all'interno del nucleo del rotore. Hanno un'elevata resistenza meccanica, i magneti permanenti sono naturalmente protetti dal nucleo e offrono un'elevata velocità e affidabilità, rendendoli adatti a quasi tutti i principali motori di trazione dei veicoli a nuova energia.
Storia dello sviluppo del PMSM
Nell'era dei motori tradizionali, il mainstream era costituito da motori asincroni ed eccitati elettricamente. motori sincroni. Nikola Tesla ha inventato il motore asincrono trifase nel 1887-1888, che in seguito ha dominato le applicazioni industriali. Il campo magnetico del rotore di un motore asincrono è generato dall'induzione della corrente di statore nel rotore. Il motore asincrono è semplice nella struttura, a basso costo di produzione e altamente durevole, ma il suo rendimento è relativamente basso, le sue dimensioni sono grandi e il suo peso è elevato. Queste caratteristiche lo hanno reso a lungo la scelta preferita per le apparecchiature di uso generale, come ventilatori industriali, pompe e compressori.
L'ascesa dei motori a magneti permanenti di superficie
Negli anni '70 i grandi progressi nei materiali a magneti permanenti delle terre rare hanno portato i motori sincroni a magneti permanenti a un uso commerciale pratico e diffuso. I motori a magneti permanenti montati in superficie sono diventati il primo tipo di motore tradizionale grazie al loro semplice processo di produzione, al circuito magnetico altamente simmetrico e al controllo vettoriale più semplice. Tuttavia, a velocità elevate, i magneti montati in superficie sono soggetti a distacco a causa delle forze centrifughe e possono anche subire una smagnetizzazione, con conseguente indebolimento del campo di amplificazione della velocità e generazione quasi nulla della coppia di riluttanza. Queste carenze hanno gradualmente limitato la loro applicazione in scenari ad alta velocità e ad alta potenza.
L'ascesa dei motori a magneti permanenti per interni
Il concetto di motori a magneti permanenti interni (IPM) risale agli anni '50, ma le prestazioni dei materiali a magneti permanenti dell'epoca ne hanno limitato l'adozione su larga scala. La matura commercializzazione dei materiali NdFeB negli anni '80 ha dato il via a uno sviluppo esplosivo. Dopo il 2000, la Toyota Prius ha adottato ampiamente i motori IPM, dimostrando appieno i loro vantaggi completi, come il funzionamento in un ampio intervallo di velocità, l'elevata efficienza, l'eccellente capacità di estensione della velocità di indebolimento del campo, l'elevata resistenza meccanica, la buona protezione del magnete e l'utilizzo relativamente ridotto di materiali a base di terre rare. Questo successo ha favorito la rapida accettazione degli IPM nel settore dei veicoli a nuova energia. Attualmente, gli IPM sono diventati il tipo mainstream assoluto nel campo dei motori di trazione dei veicoli elettrici e stanno accelerando la loro penetrazione anche nella sostituzione dei motori industriali a frequenza variabile ad alta efficienza, mentre i motori a magneti permanenti di superficie (SPM) si stanno gradualmente ritirando negli scenari di bassa velocità o di potenza specifica.
Struttura di base dei motori sincroni a magneti permanenti
La struttura di base di un PMSM è costituita da statore, rotore, traferro, cuscinetti, alloggiamento e altri componenti ausiliari. Quando viene applicata una corrente alternata trifase, questi avvolgimenti generano un campo magnetico rotante. Il rotore è dotato di magneti permanenti, che forniscono un campo magnetico costante senza bisogno di corrente di eccitazione. Il traferro è l'area principale di interazione del campo magnetico.
Il principio di funzionamento si basa sull'interazione tra il campo magnetico rotante dello statore e il campo di magneti permanenti del rotore: questi due campi magnetici vengono bloccati insieme, facendo ruotare il rotore a una velocità sincrona e generando una coppia elettromagnetica. Rispetto ai tradizionali motori asincroni, i PMSM non hanno slittamenti, non hanno perdite di eccitazione e hanno un'efficienza che in genere raggiunge i 94%-98%+, con una maggiore densità di potenza e una risposta dinamica più rapida. Tuttavia, i PMSM devono essere dotati di un convertitore di frequenza e di un controllo vettoriale (FOC) per ottenere l'avviamento e la regolazione della velocità.
| Dimensione di confronto | Motore sincrono a magnete permanente (PMSM) | Motore asincrono tradizionale |
|---|---|---|
| Sorgente di campo magnetico del rotore | I magneti permanenti generano un campo magnetico costante, senza necessità di elettricità | Il campo magnetico dello statore induce una corrente nel rotore, che genera un campo magnetico |
| Rapporto di velocità | Rigorosamente sincronizzato, senza slittamenti | Con slittamento |
| Efficienza | 94%-98%+ a pieno carico | IE3 90%-93%, IE4 fino a 95% |
| Densità di potenza | Alto | Relativamente basso |
| Caratteristiche della coppia | Ampio intervallo di coppia costante + forte indebolimento del campo per aumentare la velocità, forte potenza di scarica a bassa velocità | Gamma di coppia costante ristretta, rapida caduta di potenza ad alta velocità |
| Metodo di controllo | Richiede un convertitore di frequenza + controllo FOC | Connessione diretta alla rete disponibile, controllo semplice |
| Costo iniziale | Alto | Basso |
| Manutenibilità | Senza spazzole, senza slip-ring, a bassa manutenzione, ma richiede una prevenzione della smagnetizzazione | Struttura semplice, ma i cuscinetti sono soggetti a danni |
| Applicazioni tipiche | Nuovi veicoli energetici, droni, turbine eoliche ad alta efficienza, robot | Turbine eoliche tradizionali, pompe idrauliche, compressori e attrezzature generali |
I motori sincroni a magneti permanenti superano completamente i motori asincroni in termini di efficienza, autonomia, dimensioni e risposta in termini di potenza, rendendoli particolarmente adatti alle richieste di lunga autonomia e basso consumo energetico dei veicoli a nuova energia. Per questo motivo, le principali case automobilistiche sono passate ai PMSM. I motori asincroni, invece, si sono ritirati nei settori industriali tradizionali sensibili ai costi.
Suggerimento: I motori PMSM costano in genere 20%-40% in più rispetto ai motori asincroni equivalenti della stessa potenza.
Classificazione dei motori sincroni a magnete permanente
I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) si dividono principalmente in due categorie in base alla posizione di montaggio dei magneti permanenti sul rotore e alle caratteristiche del circuito magnetico: a montaggio superficiale (SPM) e a montaggio interno (IPM). Questa classificazione è la principale divisione strutturale dei PMSM. Gli SPM e gli IPM hanno ciascuno la propria enfasi. Il primo enfatizza la semplicità strutturale e la facilità di controllo, mentre il secondo domina in campi ad alte prestazioni come i veicoli a nuova energia.
I motori a magneti permanenti di superficie (SPM) hanno magneti permanenti montati direttamente sulla superficie esterna del nucleo del rotore, a forma di piastrella. Questo design consente un processo di produzione più semplice e un circuito magnetico altamente simmetrico, che semplifica il controllo vettoriale. Tuttavia, poiché i magneti sono montati in superficie, il rotore ha una resistenza meccanica inferiore. Sono inclini a staccarsi a causa delle forze centrifughe ad alta velocità. Inoltre, la loro capacità di aumentare la velocità è debole e la coppia di riluttanza è trascurabile. Queste limitazioni ne limitano l'uso in applicazioni ad alta velocità e ad alta potenza. I motori SPM sono tipicamente adatti alle applicazioni servo a bassa o media velocità, ai motori BLDC a bassa potenza, alle apparecchiature esistenti e agli scenari in cui la semplicità di produzione e il costo sono prioritari.
Un motore a magneti permanenti interni (IPM) colloca i magneti permanenti all'interno delle laminazioni del rotore. Le topologie di rotore più diffuse sono quelle a V, a doppia V e a I. Questo design conferisce una maggiore resistenza meccanica al rotore, migliorando la resistenza alla smagnetizzazione e l'affidabilità ad alta velocità. Gli IPM offrono una gamma più ampia di velocità a potenza costante e generano, riducendo la quantità di magneti di terre rare utilizzati, migliorando l'efficienza complessiva e ottenendo una densità di coppia superiore. Tuttavia, il design più complesso del rotore comporta processi di produzione più complessi e costi più elevati. Grazie a questi vantaggi combinati, l'IPM è diventato la soluzione preferita per quasi tutti i principali motori di trazione dei veicoli a nuova energia e per molti motori industriali a frequenza variabile ad alta efficienza.
| Dimensioni | Montaggio in superficie (SPM) | Montaggio interno (IPM) |
|---|---|---|
| Posizione del magnete | Montaggio a superficie sul rotore | Incorporato nel rotore |
| Velocità massima | Generalmente al di sotto dei 10.000 giri/minuto | Facilmente 15.000-22.000 giri/min. |
| Capacità di amplificazione della velocità di indebolimento del campo | Relativamente debole | Forte |
| Composizione della coppia | Principalmente coppia magnetica | Coppia magnetica + coppia di riluttanza (può essere > 30%) |
| Protezione del magnete | Richiede una guaina/un incollaggio supplementare | Naturalmente protetto dal nucleo di ferro |
| Percentuale tipica di un veicolo a nuova energia | Meno (<20%) | Oltre 80% (Mainstream, assolutamente dominante) |
Suggerimento: i motori IPM costano in genere 15%-30% in più rispetto ai motori SPM a causa del design più complesso del rotore.
Sintesi
A fronte dei severi requisiti dei veicoli a nuova energia in termini di alta efficienza, leggerezza, ampia gamma di velocità e basso consumo energetico, i motori interni a magneti permanenti (IPM) sono diventati la soluzione di azionamento mainstream grazie ai loro vantaggi complessivi, mentre i motori a magneti permanenti di superficie (SPM) mantengono un posto solo in specifici scenari di motori a bassa-media velocità, sensibili ai costi o ausiliari. Il dominio degli IPM continuerà a consolidarsi nei prossimi anni, spingendo l'elettrificazione verso una maggiore efficienza e costi inferiori.
Alcune domande frequenti
Che cos'è un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM)?
Il motore sincrono a magneti permanenti è un motore sincrono a corrente alternata ad alta efficienza.
Quali sono le differenze fondamentali tra SPM e IPM?
Gli SPM sono attaccati alla superficie del rotore, mentre gli IPM sono incorporati nel nucleo di ferro. Gli IPM sono superiori agli SPM sotto tutti gli aspetti, tra cui la resistenza meccanica, la capacità di indebolire il campo, l'utilizzo della coppia di riluttanza, l'efficienza delle terre rare e la resistenza alla smagnetizzazione.
Perché quasi tutti i veicoli a nuova energia utilizzano motori interni a magneti permanenti?
Gli IPM raggiungono facilmente gli ampi intervalli di coppia e potenza costanti richiesti dai veicoli a nuova energia grazie alla coppia di riluttanza e alle eccellenti capacità di estensione della velocità di indebolimento del campo.
I motori a magneti permanenti si smagnetizzano?
Sì, ma il rischio è controllabile e la durata di vita può raggiungere i 15-20 anni in condizioni di utilizzo normale.
Quanto è più costoso un IPM rispetto a un SPM?
La produzione dei rotori IPM è più complessa e comporta un costo iniziale 10%-30% più elevato.
La produzione dei rotori IPM è più complessa e comporta un costo iniziale 10%-30% più elevato.
A causa dei cambiamenti nelle politiche internazionali sulle terre rare, la ricerca e lo sviluppo nella direzione dell'assenza di terre rare sta accelerando, ma l'IPM continuerà a dominare nel breve termine.
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