PMSM 효율성 극대화: 로터 자석 어셈블리 가이드

PMSM(영구자석 동기 모터)의 경우 회전자 자석 어셈블리 구성은 토크 리플, 역{0}}EMF 파형 및 전반적인 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 표면- 장착 영구 자석(SPM) 회전자는 더 높은 공극 자속 밀도를 제공하지만 고속에서 자기 누출이 발생하는 반면, 내부 영구 자석(IPM) 회전자는 기계적 견고성과 자기 저항 토크 기여를 제공하지만 자속 상쇄를 피하기 위해 정밀한 자석 배치가 필요합니다. 잘못된 회전자 아키텍처 또는 자석 방향을 선택하면 일반적인 산업용 드라이브 응용 분야에서 모터 효율이 5~12% 감소합니다. 다음 엔지니어링 가이드에서는 SPM과 IPM 설계를 비교하고, 토크 출력에 대한 자화 방향의 영향을 설명하고, FEA가 극 피치를 최적화하는 방법을 보여줍니다.

SPM 로터는 로터 외부 둘레에 자석이 접착되거나 유지됩니다. 이 설계는 큰 유효 에어 갭 영역을 제공하여 자석 볼륨당 높은 자속을 생성합니다. SPM은 서보 모터 및 직접 구동 풍력 터빈과 같은 높은-토크 밀도 애플리케이션에 선호됩니다. 그러나 탄소 섬유 슬리브나 인코넬 고정 링을 적용하지 않는 한 높은 RPM(10,000rpm 이상)의 원심력으로 인해 표면 자석이 분리될 수 있습니다.

IPM 로터는 로터 적층 스택 내부에 자석을 내장합니다. 자석은 원심력으로부터 기계적으로 보호되므로 IPM은 고속 견인 모터(15,000-20,000rpm)에 적합합니다. 또한 자석 사이의 회전자 철은 Ld 및 Lq 인덕턴스 차이로 인해 자기 저항 토크를 생성하여 동일한 자석 볼륨의 SPM에 비해 전체 토크 출력을 20~35% 향상시킵니다. 절충점: IPM 조립은 더 복잡하므로 열 순환 시 자석의 움직임을 방지하기 위해 정밀한 슬롯 충진과 에폭시 함침이 필요합니다.

자기 누출은 에어 갭을 통과하는 유효 자속을 감소시킵니다. SPM 로터에서는 자석-과-뒤-철 거리가 너무 작을 경우 주로 로터 백철을 통해 누출이 발생합니다. 50mm 로터 직경에 대해 5-8mm의 최소 백아이언 두께는 일반적으로 총 플럭스의 5% 미만으로 누출을 유지합니다.

IPM 회전자에서 누출 경로는 더 복잡합니다. 자속은 회전자 브리지를 통해 인접한 자석 슬롯 사이의 회로를 단락시킬 수 있습니다-. 브리지 두께는 최적화되어야 합니다. 30mm 스택의 경우 1.5mm보다 얇은 브리지는 기계적 파손 위험이 있지만 2.5mm보다 두꺼운 브리지는 누출을 10~15% 증가시킵니다. 균형을 찾으려면 FEA 시뮬레이션이 필요합니다. 당사의 표준 IPM 설계는 1.2-1.3의 누출 계수(σ)를 목표로 합니다.

회전자 표면에 대한 자화 방향은 자속 경로를 정의합니다. SPM 로터의 경우 방사형 자화(로터 반경을 따라 바깥쪽을 가리키는 자기 벡터)가 표준이며 정현파 역-EMF를 생성합니다. 그러나 병렬 자화(모든 벡터가 서로 평행함)는 사다리꼴 자속 분포를 생성하여 토크 리플을 8-12% 증가시키지만 비정현파 드라이브에서는 피크 토크를 5~7% 향상시킬 수 있습니다.

IPM 회전자의 경우 자화 방향은 q-축(자속 장벽 정렬)과 평행하거나 20-30도 각도의 V-자형일 수 있습니다. 자석 각도가 120~130도인 V-형 IPM 로터는 가장 높은 릴럭턴스 토크 기여도를 생성하여 부분 부하에서 효율성을 향상시킵니다. 다극 자화(8극, 12극, 16극)는 고정자 요크 두께를 줄이지만 자석 조립의 복잡성을 증가시킵니다. 주어진 프레임 크기에 대해 폴 수를 8개에서 16개로 늘리면 백철 무게가 약 30% 감소하지만 조립 공차가 0.2~0.3mm 더 엄격해져야 합니다.

극 피치(극 아크에 대한 각 자석의 각도 폭)는 자속 분포 모양을 결정합니다. 지나치게 넓은 극 피치는 인접한 극 사이의 간격을 줄여 자속 누출을 증가시킵니다. 지나치게 좁은 폴 피치는 총 플럭스를 감소시킵니다. 표면에 장착된 NdFeB 자석에 대한 최적의 극 피치는 일반적으로 극 호의 70-80%입니다.

유한 요소 분석(FEA) 자기 시뮬레이션을 사용하여 다음을 평가합니다.

정격 부하 대 과부하에서의 자속 밀도(2x 전류)

최대 온도에서 감자 위험(Hcj 감소 사용)

코깅 토크 진폭(서보 모터 정격 토크의 목표 < 3%)

우리는 자속선 플롯, 공극 자속 밀도 고조파(FFT 분석) 및 토크{0}}각 곡선을 포함한 FEA 보고서를 고객에게 제공합니다. 이 데이터를 통해 모터 제조업체는 툴링 전에 고정자 권선 및 적층 설계를 마무리할 수 있습니다.

맞춤형 자석 모양(호 세그먼트, 사다리꼴 블록) 또는 접착제 사전 도포가 포함된 완전한 자석 어셈블리가 필요한 PMSM 로터 제조업체의 경우{0}} 당사 웹사이트의 로터 자석 어셈블리 페이지를 참조하세요. 정현파, Halbach 및 분할된 스큐를 포함한 자화 패턴을 지원하여 토크 리플을 줄입니다.

정격 속도, 주변 온도, 목표 효율 등급(IE4/IE5) 등 모터 사양에 대해 논의하려면 당사 기술팀에 문의하세요. 등급 선택(N35UH, N42SH, N48H) 및 FEA 감자 검증을 제공합니다.

Q: 10kW 산업용 서보 모터에 대해 SPM과 IPM 로터 설계 중에서 어떻게 선택합니까?
A: 6000rpm 미만의 속도와 낮은 토크 리플 요구 사항의 경우 N42SH 자석이 포함된 SPM이 비용 효율적입니다-. 8000rpm 이상의 속도 또는 넓은 정전력 범위의 경우 N35UH 자석이 있는 IPM을 선택하여 고속 자석 분리를 방지하세요-.

Q: PMSM 로터 어셈블리에 허용되는 일반적인 자석 두께 변화는 얼마입니까?
A: 두께 공차: SPM 세그먼트의 경우 ±0.05mm, IPM 인서트의 경우 ±0.03mm. 변화가 클수록 에어 갭 비대칭이 발생하여 불균형한 자기 인력과 진동이 증가합니다.

Q: IPM 로터의 부식 방지를 위해 에폭시 코팅이 된 자석 어셈블리를 공급할 수 있습니까?
답: 그렇습니다. 각 자석에는 Ni-Cu-Ni(10-20μm) 또는 에폭시(20-40μm)를 도포합니다. IPM 로터의 경우 자석 가장자리에 100-200μm 두께의 에폭시 코팅이 슬롯 충진을 개선하고 자석과 적층 사이의 전도성 접촉을 방지합니다.