Motores de ímã permanente montados na superfície ou no interior
- Ethan
- Base de conhecimento
Os motores síncronos de ímã permanente (PMSMs) são atualmente o tipo de motor mais comum em veículos de energia nova e acionamentos industriais de alta eficiência. Sua essência está no uso de ímãs permanentes de alto desempenho para gerar diretamente um campo magnético constante no rotor, obtendo uma operação síncrona sem escovas, sem deslizamento e altamente eficiente. Com base na posição de montagem dos ímãs permanentes no rotor e nas características do circuito magnético, os PMSMs são divididos principalmente em duas categorias: motores síncronos de ímã permanente de superfície (SPMs) e motores síncronos de ímã permanente interno (IPMs).
- Os motores SPM têm ímãs permanentes fixados na superfície externa do núcleo do rotor.
- Os motores SPM têm um processo de fabricação simples, mas o projeto do circuito magnético geralmente é menos sofisticado.
- Os motores SPM são adequados para aplicações de potência de baixo a médio porte.
- Os motores IPM incorporam os ímãs permanentes dentro do núcleo do rotor.
- Os motores IPM têm alta resistência mecânica e excelente projeto de circuito magnético.
- Os motores magnéticos IPM são adequados para aplicações de alta velocidade e alta potência.
Conteúdo
Principais conclusões
- A estrutura básica de um PMSM inclui um estator, um rotor, um espaço de ar e componentes auxiliares, como tampas de extremidade e rolamentos.
- Os PMSMs são divididos principalmente em duas categorias: motores síncronos de ímã permanente de superfície (SPMs) e motores síncronos de ímã permanente interno (IPMs).
- O princípio de funcionamento dos SPMs e IPMs baseia-se na interação eletromagnética e na sincronização do campo magnético.
- Os motores de ímã permanente de superfície (SPMs) fixam diretamente os ímãs permanentes em forma de arco na superfície externa do núcleo do rotor. O processo de fabricação é simples e o custo é relativamente baixo. Eles são adequados para servomotores de velocidade baixa a média, motores CC sem escovas de pequena potência e alguns equipamentos mais antigos.
- Os motores internos de ímã permanente (IPMs) incorporam ímãs permanentes dentro do núcleo do rotor. Eles têm alta resistência mecânica, os ímãs permanentes são naturalmente protegidos pelo núcleo e oferecem alta velocidade e confiabilidade, o que os torna adequados para quase todos os motores de acionamento de veículos de energia nova convencionais.
Histórico de desenvolvimento do PMSM
Na era dos motores tradicionais, os principais eram os motores assíncronos e os motores de excitação elétrica motores síncronos. Nikola Tesla inventou o motor assíncrono trifásico em 1887-1888, que posteriormente dominou as aplicações industriais. O campo magnético do rotor de um motor assíncrono é gerado pela indução da corrente do estator no rotor. Sua estrutura é simples, o custo de fabricação é baixo e ele é altamente durável, mas sua eficiência é relativamente baixa, seu tamanho é grande e seu peso é elevado. Essas características o tornaram, por muito tempo, a escolha preferida para equipamentos de uso geral, como ventiladores industriais, bombas e compressores.
O surgimento dos motores de ímã permanente de superfície
Os grandes avanços nos materiais de ímã permanente de terras raras durante a década de 1970 impulsionaram os motores síncronos de ímã permanente para o uso comercial prático e generalizado. Os motores de ímã permanente montados na superfície se tornaram o tipo mais comum devido ao seu processo de fabricação simples, ao circuito magnético altamente simétrico e ao controle vetorial mais simples. No entanto, em altas velocidades, os ímãs montados na superfície são propensos a se desprender devido a forças centrífugas e também podem sofrer desmagnetização, resultando em amplificação de velocidade de enfraquecimento do campo fraco e quase nenhuma geração de torque de relutância. Essas deficiências limitaram gradualmente sua aplicação em cenários de alta velocidade e alta potência.
A ascensão dos motores internos de ímã permanente
O conceito de motores de ímã permanente interno (IPM) remonta à década de 1950, mas, limitado pelo desempenho dos materiais de ímã permanente na época, eles não foram adotados em larga escala. A comercialização madura dos materiais NdFeB na década de 1980 realmente desencadeou seu desenvolvimento explosivo. Depois de 2000, o Toyota Prius adotou amplamente os motores IPM, demonstrando plenamente suas vantagens abrangentes, como operação em ampla faixa de velocidade, alta eficiência, excelente capacidade de extensão da velocidade de enfraquecimento do campo, alta resistência mecânica, boa proteção do ímã e uso relativamente menor de materiais de terras raras. Esse sucesso promoveu diretamente a rápida aceitação dos IPMs no campo dos veículos de energia nova. Atualmente, os IPMs se tornaram o principal tipo absoluto no campo de motores de acionamento de veículos elétricos e também estão acelerando sua penetração na substituição de motores industriais de frequência variável de alta eficiência, enquanto os motores de ímã permanente de superfície (SPMs) estão gradualmente se retirando para cenários de baixa velocidade ou potência específica.
Estrutura básica dos motores síncronos de ímã permanente
A estrutura básica de um PMSM consiste em um estator, rotor, entreferro, rolamentos, carcaça e outros componentes auxiliares. Quando a corrente alternada trifásica é aplicada, esses enrolamentos geram um campo magnético rotativo. O rotor é equipado com ímãs permanentes, proporcionando um campo magnético constante sem a necessidade de corrente de excitação. O espaço de ar é a principal área de interação do campo magnético.
O princípio de operação se baseia na interação entre o campo magnético rotativo do estator e o campo de ímã permanente do rotor: esses dois campos magnéticos são travados juntos, fazendo com que o rotor gire em uma velocidade síncrona e gere torque eletromagnético. Em comparação com os motores assíncronos tradicionais, os PMSMs não têm deslizamento, nem perda de excitação, e a eficiência normalmente atinge 94%-98%+, com maior densidade de potência e resposta dinâmica mais rápida. No entanto, os PMSMs devem ser equipados com um conversor de frequência e controle vetorial (FOC) para obter a regulagem da partida e da velocidade.
| Dimensão de comparação | Motor síncrono de ímã permanente (PMSM) | Motor assíncrono tradicional |
|---|---|---|
| Fonte do campo magnético do rotor | Os ímãs permanentes geram um campo magnético constante, sem necessidade de eletricidade | O campo magnético do estator induz a corrente no rotor, que gera um campo magnético |
| Relação de velocidade | Estritamente sincronizado, sem deslizamento | Com deslizamento |
| Eficiência | 94%-98%+ com carga total | IE3 90%-93%, IE4 até 95% |
| Densidade de potência | Alta | Relativamente baixo |
| Características de torque | Ampla faixa de torque constante + forte enfraquecimento do campo para aumentar a velocidade, forte potência de explosão em baixa velocidade | Faixa estreita de torque constante, queda rápida de potência em alta velocidade |
| Método de controle | Requer um conversor de frequência + controle FOC | Conexão direta à rede disponível, controle simples |
| Custo inicial | Alta | Baixa |
| Capacidade de manutenção | Sem escova, sem anel deslizante, de baixa manutenção, mas requer prevenção de desmagnetização | Estrutura simples, mas os rolamentos são propensos a danos |
| Aplicações típicas | Novos veículos de energia, drones, turbinas eólicas de alta eficiência, robôs | Turbinas eólicas tradicionais, bombas de água, compressores e equipamentos em geral |
Os motores síncronos de ímã permanente superam completamente os motores assíncronos em termos de eficiência, alcance, tamanho e resposta de potência, o que os torna particularmente adequados para as demandas de veículos de energia nova por longo alcance e baixo consumo de energia. Portanto, os principais fabricantes de automóveis passaram a usar PMSMs. Os motores assíncronos, por outro lado, recuaram para setores industriais tradicionais sensíveis ao custo.
Dica: Os motores PMSM normalmente custam 20%-40% a mais do que os motores assíncronos equivalentes com a mesma potência nominal
Classificação dos motores síncronos de ímã permanente
Os motores síncronos de ímã permanente (PMSMs) são divididos principalmente em duas categorias com base na posição de montagem dos ímãs permanentes no rotor e nas características do circuito magnético: montagem em superfície (SPM) e montagem interna (IPM). Essa classificação é a principal divisão estrutural dos PMSMs. Os SPMs e os IPMs têm cada um sua própria ênfase. O primeiro enfatiza a simplicidade estrutural e a facilidade de controle, enquanto o segundo predomina em campos de alto desempenho, como os veículos de energia nova.
Os motores SPM (Surface Permanent Magnet, ímãs permanentes de superfície) têm ímãs permanentes montados diretamente na superfície externa do núcleo do rotor em um formato de ladrilho. Esse projeto resulta em um processo de fabricação mais simples e em um circuito magnético altamente simétrico, o que simplifica o controle vetorial. No entanto, como os ímãs são montados na superfície, o rotor tem menor resistência mecânica. Eles são propensos a se desprender devido às forças centrífugas em altas velocidades. Além disso, sua capacidade de aumento da velocidade de enfraquecimento do campo é fraca e o torque de relutância é insignificante. Essas limitações restringem seu uso em aplicações de alta velocidade e alta potência. Os motores SPM são normalmente adequados para aplicações servo de baixa a média velocidade, motores BLDC de baixa potência, equipamentos antigos e cenários em que a simplicidade de fabricação e o custo são priorizados.
Um motor de ímã permanente interno (IPM) coloca ímãs permanentes dentro das laminações do rotor. As topologias comuns de rotor incluem formato em V, duplo V e formato em I. Esse projeto confere maior resistência mecânica ao rotor, melhorando assim a resistência à desmagnetização e a confiabilidade em alta velocidade. Os IPMs oferecem uma faixa de velocidade de potência constante mais ampla e geram, reduzindo a quantidade de ímãs de terras raras usados, melhorando a eficiência geral e alcançando uma densidade de torque superior. No entanto, seu projeto de rotor mais complexo leva a processos de fabricação mais complexos e a custos mais altos. Graças a essas vantagens combinadas, o IPM se tornou a solução preferida para quase todos os principais motores de acionamento de veículos de energia nova e para muitos motores industriais de frequência variável de alta eficiência.
| Dimensões | Montagem em superfície (SPM) | Montagem interna (IPM) |
|---|---|---|
| Localização do ímã | Montagem em superfície no rotor | Incorporado no interior do rotor |
| Velocidade máxima | Geralmente abaixo de 10.000 RPM | Facilmente 15.000-22.000 RPM+ |
| Capacidade de amplificação da velocidade de enfraquecimento do campo | Relativamente fraco | Forte |
| Composição do torque | Principalmente torque magnético | Torque magnético + Torque de relutância (pode ser >30%) |
| Proteção do ímã | Requer revestimento/colagem adicional | Naturalmente protegido pelo núcleo de ferro |
| Porcentagem típica de veículos de energia nova | Menos (<20%) | Acima de 80% (convencional, absolutamente dominante) |
Dica: os motores IPM normalmente custam 15%-30% mais do que os motores SPM devido ao projeto mais complexo do rotor
Resumo
De acordo com os rigorosos requisitos dos novos veículos de energia em termos de alta eficiência, leveza, ampla faixa de velocidade e baixo consumo de energia, os motores internos de ímã permanente (IPM) se tornaram a principal solução de acionamento devido às suas vantagens abrangentes, enquanto os motores de superfície de ímã permanente (SPM) só têm lugar em cenários específicos de baixa a média velocidade, sensíveis ao custo ou motores auxiliares. A predominância dos IPMs continuará a se solidificar nos próximos anos, impulsionando a eletrificação para maior eficiência e custos mais baixos.
Algumas perguntas frequentes
O que é um motor síncrono de ímã permanente (PMSM)?
Um motor síncrono de ímã permanente é um motor síncrono de CA altamente eficiente.
Quais são as diferenças fundamentais entre os SPMs e os IPMs?
Os SPMs são fixados na superfície do rotor, enquanto os IPMs são incorporados ao núcleo de ferro. Os IPMs são superiores aos SPMs em todos os aspectos, incluindo resistência mecânica, capacidade de enfraquecimento do campo, utilização do torque de relutância, eficiência de terras raras e resistência à desmagnetização.
Por que quase todos os veículos de energia nova usam motores internos de ímã permanente?
Os IPMs alcançam facilmente as amplas faixas de torque e potência constantes exigidas pelos veículos de energia nova por meio de torque de relutância e excelentes recursos de extensão de velocidade de enfraquecimento de campo.
Os motores de ímã permanente desmagnetizam?
Sim, mas o risco é controlável, e a vida útil pode chegar a 15-20 anos em condições normais de uso.
Quanto mais caro é um IPM do que um SPM?
A fabricação dos rotores IPM é mais complexa, o que resulta em um custo inicial 10%-30% mais alto.
A fabricação dos rotores IPM é mais complexa, o que resulta em um custo inicial 10%-30% mais alto.
Devido às mudanças nas políticas internacionais de terras raras, a pesquisa e o desenvolvimento na direção livre de terras raras estão se acelerando, mas o IPM ainda dominará no curto prazo.
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