Permanente magneetmotoren verbeteren de industriële efficiëntie

Elektrische motoren drijven de levensader van de moderne industrie aan, en daartussen komen Permanent Magneet Synchrone Motoren (PMSM's) naar voren als een superieure oplossing in meerdere sectoren. Welke voordelen bieden ze ten opzichte van traditionele motoren? Welke ingenieuze ontwerpen zijn verborgen in hun structuur? Welke unieke besturingsstrategieën laten ze opvallen? Dit artikel biedt een uitgebreide analyse van de PMSM-structuur, werkingsprincipes, besturingsmethoden en toepassingen.

De Permanent Magneet Synchrone Motor (PMSM) is een type synchrone motor waarbij het excitatiemagnetisch veld wordt geleverd door permanente magneten. In vergelijking met traditionele elektrisch bekrachtigde synchrone motoren elimineren PMSM's de noodzaak voor extra excitatie-wikkelingen en stroombronnen, wat resulteert in een compactere structuur en een hogere efficiëntie. In vergelijking met inductiemotoren bieden PMSM's een hogere vermogensdichtheid, koppel-traagheidsverhouding en besturingsprecisie, waardoor ze ideaal zijn voor hoogwaardige servoaandrijvingen, elektrische voertuigen, windenergieopwekking en andere toepassingen.

PMSM's bestaan voornamelijk uit twee delen: de stator en de rotor. Hoewel hun basisstructuur lijkt op conventionele synchrone motoren, vertegenwoordigt het rotorontwerp hun kerninnovatie.

De stator, het stationaire onderdeel van een PMSM, bestaat voornamelijk uit de statorkern en statorwikkelingen. De statorkern is typisch gelamineerd van siliciumstaalplaten om ijzerverliezen te minimaliseren. Statorwikkelingen zijn ingebed in de sleuven van de statorkern en vormen meerfasige AC-wikkelingen, waarbij twee- en driefasige configuraties het meest voorkomen. Op basis van de wikkelverdeling kunnen statorwikkelingen worden gecategoriseerd als:

Verdeelde wikkelingen hebben meerdere sleuven per pool per fase (Q=2,3,...k). Hun voordeel ligt in het effectief onderdrukken van hogere harmonischen en het verbeteren van de motorprestaties, hoewel de fabricagecomplexiteit toeneemt.

Geconcentreerde wikkelingen gebruiken één sleuf per pool per fase (Q=1). Hoewel ze eenvoudiger te produceren zijn, genereren ze een hoger harmonisch gehalte, waarvoor extra maatregelen nodig zijn om harmonischen te onderdrukken.

De rotor, het roterende onderdeel, heeft permanente magneten als zijn belangrijkste innovatie. Op basis van de magneetplaatsing worden PMSM's geclassificeerd als:

In SPMSM's worden magneten direct op het rotoppervlak gemonteerd. Dit ontwerp produceert bijna sinusvormige luchtspleetmagnetische velden en vereenvoudigt het ontwerp van inductantieparameters, maar lijdt aan een lagere mechanische sterkte en de kwetsbaarheid van magneten voor luchtspleetinfluenties.

IPMSM's bedden magneten in de rotor in, wat een superieure mechanische sterkte biedt en de mogelijkheid om reluctantiemoment te gebruiken voor een verhoogde koppel-dichtheid. Er bestaan verschillende interne magneetconfiguraties, waaronder enkellaags-, meerlaags- en V-type-opstellingen.

Verdere classificatie op basis van saliëntieverhouding verdeelt PMSM's in:

• Saliënt-pool PMSM's: Waar de direct-as-inductantie (Ld) verschilt van de kwadratuur-as-inductantie (Lq).
• Niet-saliënt-pool PMSM's: Waar Ld gelijk is aan Lq.

PMSM's werken door interactie tussen het roterende magnetische veld van de stator en het permanente magneetveld van de rotor. Wanneer symmetrische meerfasige AC-stroom door statorwikkelingen stroomt, genereert dit een roterend magnetisch veld. Het permanente magneetveld van de rotor synchroniseert met dit roterende veld, waardoor koppel ontstaat dat rotatie aandrijft. Synchrone werking treedt op wanneer de rotorsnelheid overeenkomt met de rotatiesnelheid van het statorveld.

Net als bij inductiemotoren creëert driefasige AC-stroom in PMSM-statorwikkelingen een roterend magnetisch veld. De rotatiesnelheid van het veld hangt af van de voedingsfrequentie en de statorpoolparen:

n = 60f / p

Waarbij n de rotatiesnelheid is (rpm), f de frequentie (Hz) en p het poolpaartal.

Interactie tussen rotor permanente magneetvelden en roterende statorvelden produceert elektromagnetisch koppel. De koppelgrootte hangt af van de veldsterkte, hun hoekrelatie en motorstructurele parameters. SPMSM's genereren voornamelijk permanent magneetkoppel, terwijl IPMSM's zowel permanent magneetkoppel als reluctantiemoment produceren vanwege hun saliënt-poolontwerp.

PMSM-besturing is gericht op precieze regulering van snelheid, koppel en positie. Gezien hun niet-lineaire, sterk gekoppelde aard, vormt PMSM-besturing unieke uitdagingen. Veelvoorkomende besturingsbenaderingen zijn onder meer:

Deze eenvoudige methode bestuurt de motorsnelheid door een constante spannings-frequentieverhouding te handhaven. Hoewel kosteneffectief, biedt het beperkte precisie en dynamische prestaties, waardoor het ongeschikt is voor hoogwaardige toepassingen.

Deze geavanceerde techniek ontleedt de statorstroom in excitatie- en koppelcomponenten voor onafhankelijke besturing. FOC levert hoge precisie en dynamische respons, maar vereist complexe algoritmen met coördinaattransformaties en parameteridentificatie.

Met behulp van rotorflux als referentie ontleedt deze methode de statorstroom in d-as- en q-as-componenten voor afzonderlijke excitatie- en koppelbesturing, waardoor een snelle koppelrespons mogelijk is, maar precieze rotorpositiegegevens vereist zijn.

Deze variant gebruikt statorflux als referentie, waardoor directe rotorpositieafhankelijkheid wordt geëlimineerd, maar de algoritmische complexiteit toeneemt.

DTC regelt het koppel direct door stator-spanningsvectoren te besturen om overeen te komen met referentiekoppel- en fluxwaarden. Hoewel structureel eenvoudig met uitstekende dynamiek, produceert het aanzienlijke koppelrimpel, waarvoor mitigerende maatregelen nodig zijn.

Het elimineren van positiesensoren vermindert de kosten en complexiteit. Veelvoorkomende sensorloze technieken zijn onder meer:

Deze methode schat de rotorpositie op basis van back-EMF-observaties, maar worstelt bij lage snelheden vanwege kleine signaalamplitudes die kwetsbaar zijn voor ruisinterferentie.

Door hoogfrequente signalen te injecteren en inductantieveranderingen te bewaken die worden veroorzaakt door saliëntie-effecten, werkt deze aanpak goed voor IPMSM's, maar vereist hogere schakelfrequenties.

Gebruikt voor PMSM's met trapeziumvormige back-EMF, produceert deze eenvoudige methode aanzienlijke koppelrimpel. Implementaties met gesloten lus vereisen Hall-sensoren voor positiefeedback.

In vergelijking met traditionele inductiemotoren bieden PMSM's:

Het elimineren van excitatiestroom vermindert verliezen, vooral merkbaar bij lichte belastingen. Studies tonen aan dat PMSM's ongeveer 2% hogere efficiëntie bereiken dan premium efficiëntie (IE3) inductiemotoren onder vergelijkbare omstandigheden.

Hoogenergetische permanente magneten maken sterkere magnetische velden mogelijk binnen compacte afmetingen, waardoor meer vermogen per volume-eenheid wordt geleverd.

Compacte rotorontwerpen met lage traagheid vergemakkelijken snelle start-stop-bewerkingen en acceleratie, waardoor de dynamische respons wordt verbeterd.

Geavanceerde besturingsmethoden zoals FOC en DTC maken precieze regulering van snelheid, koppel en positie mogelijk, wat voldoet aan veeleisende servo-toepassingen.

PMSM's blinken uit in diverse gebieden:

Ideaal voor EV-aandrijfsystemen, PMSM's verbeteren het bereik en de acceleratie. Grote fabrikanten zoals Tesla en BYD hebben deze technologie overgenomen.

Direct-drive PMSM-windturbines elimineren versnellingsbakken, waardoor mechanische verliezen en onderhoud worden verminderd en de betrouwbaarheid in zware omgevingen wordt verbeterd.

Als kerncomponenten in hoogwaardige servosystemen voldoen PMSM's aan de veeleisende eisen van industriële robots en CNC-bewerkingsmachines.

Veel gebruikt in inverter-gebaseerde airconditioners, wasmachines en koelkasten, verbeteren PMSM's de energie-efficiëntie en verminderen ze tegelijkertijd ruis en verlengen ze de levensduur.

Met hun superieure efficiëntie, vermogensdichtheid en besturingsprecisie vertegenwoordigen PMSM's een aanzienlijke vooruitgang in de motortechnologie. Naarmate permanente magneetmaterialen en besturingsalgoritmen zich blijven ontwikkelen, zullen de toepassingen zich verder uitbreiden naar elektrische mobiliteit, slimme productie en de ruimtevaart. Voortdurend onderzoek naar motorontwerp, besturingsstrategieën en sensorloze technieken belooft de continue PMSM-ontwikkeling te stimuleren.