Propulsão de EV de alta eficiência: Sistemas de motores síncronos de ímã permanente
O motor síncrono de ímã permanente é a principal força motriz dos veículos de energia nova, devido à sua alta eficiência, forte potência e design flexível. Os mercados globais de veículos elétricos tiveram um rápido crescimento, e o PMSM está remodelando o futuro do setor automotivo com sua excelente densidade de potência e desempenho de economia de energia.
Um motor síncrono de ímã permanente é um motor síncrono trifásico de corrente alternada. Sua essência é que os ímãs permanentes no rotor geram um campo magnético constante, que interage com o campo magnético rotativo formado pelo enrolamento do estator para acionar o rotor para funcionar em velocidade síncrona. Em comparação com os motores de indução tradicionais, o PMSM não tem perda de escorregamento. Quando o enrolamento do estator trifásico é energizado, um campo magnético rotativo é gerado para obter uma saída de energia eficiente e precisa.
O PMSM é composto principalmente por um estator e um rotor. O estator geralmente usa um núcleo laminado de chapas de aço silício com enrolamentos, que é responsável por gerar um campo magnético rotativo; o rotor é embutido ou montado na superfície com ímãs permanentes para fornecer um campo magnético constante. O PMSM geralmente adota um design de rotor interno, mas a estrutura de rotor externo também é usada em alguns eletrodomésticos de alta eficiência.
Classificação do núcleo: SPMSM e IPMSM
Com base na posição dos ímãs permanentes no rotor, o PMSM é dividido principalmente em duas categorias:
Motor síncrono de ímã permanente de superfície (SPMSM): os ímãs permanentes são fixados diretamente na superfície do rotor, e as indutâncias dos eixos CA e CC são iguais. Sua estrutura é simples e adequada para aplicações que exigem resposta rápida e alta capacidade de sobrecarga, como sistemas servo de automação industrial.
Motor síncrono de ímã permanente incorporado: O ímã permanente está embutido no núcleo do rotor, e as indutâncias do eixo CA e CC não são iguais. Essa estrutura usa o princípio de torque de relutância para fornecer alta densidade de torque e uma ampla faixa de velocidade, sendo a principal escolha para sistemas de tração de veículos de energia nova.
Projeto e otimização do rotor
O rotor é o componente central do motor síncrono de ímã permanente (PMSM), que determina se o veículo elétrico acelera rapidamente e se a resistência é maior. Seu design é como a "engrenagem central" de um motor de carro e proporciona grande potência e uma experiência silenciosa por meio da colocação inteligente de ímãs potentes.
O rotor usa ímãs de NdFeB, um ímã de alto desempenho que permite que o motor atinja uma eficiência de 95%, economizando 15% a mais de energia do que os motores tradicionais. Por exemplo, para um carro elétrico com uma autonomia de 400 quilômetros, isso pode acrescentar 50 quilômetros, o que equivale a menos visitas à estação de carregamento. O rotor é feito de finas chapas de aço empilhadas e embutidas em ranhuras em V para fixar os ímãs, reduzindo o desperdício de energia. Ao mesmo tempo, o design otimizado torna o peso mais leve e a aceleração mais sensível.
Para tornar a condução mais silenciosa, os engenheiros ajustaram o layout do ímã para reduzir o zumbido do motor quando ele está funcionando, e o ruído chega a 40 decibéis, próximo ao ambiente silencioso de uma sala de estar. A tecnologia de fabricação avançada também garante que os ímãs operem de forma estável em altas velocidades ou altas temperaturas, com uma taxa de falha de apenas 0,5%.
Projeto do estator
O projeto do estator é fundamental para o desempenho do PMSM. O motor de acionamento principal dos veículos de energia nova geralmente usa enrolamentos distribuídos. A distribuição da força eletromagnética é otimizada por meio de enrolamentos uniformemente distribuídos, o que suprime efetivamente os harmônicos e melhora a eficiência e a qualidade da saída de torque. Em comparação com o enrolamento concentrado, a força eletromotriz traseira gerada pelo enrolamento distribuído está mais próxima da onda senoidal ideal, com menos ruído eletromagnético e maior precisão de controle.
O projeto do estator melhora significativamente o desempenho de NVH ao otimizar o layout do enrolamento e a distribuição da força eletromagnética. Com a ajuda de uma avançada simulação de campo eletromagnético, os harmônicos de alta frequência podem ser reduzidos em até 30%, atendendo às altas exigências dos consumidores para uma condução silenciosa. O design compacto da estrutura do estator também pode se adaptar de forma flexível a uma variedade de topologias de rotor para maximizar o uso do espaço interno do motor.
Recursos e vantagens do PMSM
Alta eficiência e densidade de potência
O PMSM não requer corrente de excitação do rotor, eliminando as perdas relacionadas. Seu pico de eficiência pode chegar a mais de 95%, o que é significativamente melhor do que os motores assíncronos tradicionais. Sua excelente densidade de potência permite que ele produza maior potência no mesmo volume.
Alto desempenho, baixo ruído e alta confiabilidade
O PMSM tem uma ampla faixa de regulação de velocidade de potência constante e funciona sem problemas. Combinado com a estrutura de polo inclinado e as medidas de otimização de NVH, o ruído operacional pode ser tão baixo quanto 40 decibéis ou menos, e a interferência eletromagnética (EMI) é mínima. O projeto sem escovas elimina as faíscas e o desgaste das escovas, requer pouquíssima manutenção e tem uma vida útil normalmente superior a 10 anos.
Design compacto e flexibilidade de controle
O PMSM tem uma estrutura compacta, peso leve, pequena inércia do rotor e resposta dinâmica rápida. Combinado com a tecnologia de controle orientado por campo (FOC), ele pode atingir alto torque e saída suave na zona de baixa velocidade, o que atende perfeitamente às necessidades de resposta instantânea de aceleração dos veículos de energia nova.
Cenários de aplicativos
Sistema de transmissão de veículos de energia nova
O PMSM é a principal fonte de energia do sistema de acionamento de veículos de energia nova. O motor PMSM equipado com o Tesla Model 3 suporta um alcance de mais de 510 quilômetros (WLTP) com alta eficiência e potência de pico de 275 cavalos de potência (cerca de 205 kW). O motor IPMSM usado no BYD Han EV alcança um forte desempenho de aceleração e excelente eficiência energética com uma capacidade de sobrecarga de curto prazo de até 200%.
Maquinário industrial e servoacionamento
No campo industrial, o PMSM oferece posicionamento de alta precisão e resposta dinâmica rápida para fusos de máquinas-ferramenta, eixos de alimentação e servoacionamentos. Os sistemas servo da Siemens utilizam amplamente motores SPMSM de baixa inércia com um tempo de resposta de até 1 milissegundo, o que os torna ideais para linhas de produção automatizadas e máquinas-ferramentas CNC de precisão.
Eletrodomésticos, robôs e sistemas de energia
O PMSM penetrou em eletrodomésticos, acionamentos de juntas de robôs e sistemas de energia. O compressor PMSM de frequência variável para ar-condicionado da Midea pode economizar mais de 30% de energia em comparação com os modelos tradicionais; os motores de juntas de robôs alcançam um controle de movimento preciso e flexível com baixa inércia; o PMSM também é usado para correção do fator de potência (PFC) de redes de energia para melhorar a eficiência geral da transmissão e distribuição de energia.
Resumo e perspectivas
Os motores síncronos de ímã permanente tornaram-se tecnologias essenciais em veículos de energia nova e campos industriais de ponta com sua excelente eficiência, alta densidade de torque e design compacto. O IPMSM domina o mercado de tração de veículos de energia nova com sua alta densidade de torque e ampla capacidade de regulação de velocidade; o SPMSM brilha no campo de servo com sua resposta rápida e vantagens de custo. O progresso contínuo dos inversores inteligentes e das tecnologias avançadas de controle sem sensor continua a reduzir os custos do sistema e a melhorar o desempenho.
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