Задвижващи двигатели Pumbaa 60KW PMSM за електрически превозни средства PML60

1. Мотор с плосък проводник
• Формата на намотката на двигателя постепенно преминава от кръгла към плоска тел, с висока скорост на запълване на слотовете, къси краища, висока плътност на мощността и силен капацитет за разсейване на топлината.

2. Проектиране на изолация за високо напрежение
• Двигателят използва нови изолационни материали и процеси, за да отговори на изискванията за висока честота на превключване на SiC контролерите за все по-високоскоростни двигатели

•3. Високоскоростни и тежкотоварни изолирани лагери
• Конструкцията на двигателя използва изолирани лагери, които могат да отговорят на проектните изисквания от 24000 об/мин; и може ефективно да предотврати генерирането на електрическа корозия на лагерите

4. Двигател с маслено охлаждане
• Двигателят е с високоскоростна маслено охлаждана структура, която ефективно намалява номиналната мощност след намаляване на обема, което не само подобрява ефективността, но и удължава експлоатационния живот на системата.

5. Отлични показатели за шумозаглушаване и вибрации
• Роторът на двигателя е със сегментирана наклонена полюсна структура, която ефективно оптимизира шумовите и вибрационни вибрации (NVH) на моторната система

В областта на индустриалната автоматизация, превозните средства с нова енергия и високия клас роботика, синхронните двигатели с постоянни магнити (синхронен двигател с постоянни магнити, PMSM) се очертават като основен избор за задвижващи системи поради високата си ефективност, компактните си размери и превъзходните динамични характеристики. Тази статия предоставя цялостен анализ на тази критична технология за двигатели от множество измерения, включително определение, принципи на работа, структурен дизайн, логика на управление, предимства и недостатъци, както и сравнение с BLDC двигатели с променлива честота.

I. Определение и основни характеристики на PMSM

Синхронният двигател с постоянни магнити е трифазен променливотоков синхронен двигател. Неговата определяща характеристика е, че роторът не изисква възбуждаща намотка; вместо това той генерира постоянно магнитно поле директно чрез постоянни магнити (напр. неодим-желязо-бор, самарий-кобалт), които работят синхронно с въртящото се магнитно поле, създадено от статорните намотки.

В сравнение с традиционните асинхронни двигатели, PMSM показват значителни предимства:

​● Висока ефективност: Роторът не понася загуби от възбуждане (загубите от мед са незначителни), което води до плътност на мощността с над 30% по-висока от тази на асинхронните двигатели.

​● Висока динамична реакция: Способен да осигури пълен въртящ момент при нулева скорост, което го прави подходящ за приложения, изискващи чести стартирания и спирания.

​● Нисък шум и плавен въртящ момент: Проектиран със синусоидална обратна електродвижеща сила (ЕМС), той работи с минимални вибрации.

​● Висок коефициент на мощност: Магнитното поле на ротора се осигурява от постоянни магнити, което елиминира възбуждащия компонент в статорния ток. В резултат на това коефициентът на мощност на системата се приближава до 1.

(ПМСМ)

II. Принцип на работа на PMSM

Работата на PMSM се основава на механизма на "синхронизация на магнитното поле статор-ротор", който протича по следния начин:

1. Генериране на въртящо се магнитно поле на статора: Когато към трифазните намотки на статора се приложи трифазен променлив ток, във въздушната междина се генерира въртящо се магнитно поле, въртящо се със синхронна скорост ns=60f/p

(където f е честотата на захранването, а p е броят на полюсните двойки).

2. Синхронизация на магнитното поле на ротора: Магнитното поле от постоянните магнити на ротора взаимодейства с въртящото се магнитно поле на статора, създавайки електромагнитен въртящ момент, който задвижва ротора да се върти със синхронна скорост в съответствие с полето на статора.

3. Характеристика без самостартиране: Поради неизвестното начално положение на ротора и невъзможността за самостоятелно генериране на стартов въртящ момент, PMSM изискват координация с инвертор (осигуряващ захранване с променлива честота), за да се постигне плавно стартиране. Нормалната работа започва едва след като скоростта достигне праг.

III. Основна структура на PMSM: статор и ротор

Структурата на PMSM е подобна на тази на конвенционален синхронен двигател, но дизайнът на ротора е ключовият диференциатор, който пряко влияе върху производителността и сценариите на приложение.

1. Статор: Центърът за преобразуване на енергия

Структурата на статора е до голяма степен съвместима с тази на променливотоковите асинхронни двигатели, съставена предимно от желязна сърцевина и трифазни намотки:

​● Желязно ядро: Изработено от ламинирани силициеви стоманени листове за намаляване на загубите от вихрови токове.

● Намотки: Трифазните намотки са разпределени синусоидално в слотовете на статора. Когато са под напрежение, те генерират почти синусоидална обратна електродвижеща сила, осигурявайки синхрон между изходния ток и напрежение (повишавайки коефициента на мощност).

2. Ротор: Ядрото, задвижвано от постоянни магнити

Роторът няма възбуждащи намотки и генерира магнитното си поле чрез постоянни магнити. Той се категоризира в два вида въз основа на метода на инсталиране на постоянните магнити:

​● Повърхностно монтиран синхронен двигател с постоянен магнит (SPM): Постоянните магнити са свързани с повърхността на ротора и са покрити със защитна втулка (напр. въглеродни влакна), за да се предотврати центробежно увреждане. Характеризиращи се с висока плътност на магнитния поток във въздушната междина, SPM са идеални за приложения, чувствителни към обем и тегло (напр. задвижвания на дронове).

​● Синхронен двигател с вътрешен постоянен магнит (IPM): Постоянните магнити са вградени във вътрешността на ротора (напр. във V-образни или U-образни слотове). Чрез използване на реактивния въртящ момент (допълнителен въртящ момент, генериран от асиметричната магнитна верига на сърцевината на ротора), IPM подобряват изходната мощност. С по-висока ефективност и по-голям капацитет на претоварване, IPM се използват широко в задвижващи системи на електрически превозни средства.

(ЕЛЕКТРОМОБИЛЕН МОТОР)

IV. Принцип на управление на PMSM: Векторно управление и цифрови технологии

За да се постигне високопрецизен контрол на скоростта и въртящия момент, PMSM разчитат на технология за векторно управление (Field-Oriented Control, FOC). Нейната същност включва преобразуване на трифазни променливи величини в постоянни величини (ос dq) във въртяща се координатна система чрез координатна трансформация, което позволява независимо управление на потока и въртящия момент.

Ключови стъпки в процеса на контрол:

1. Откриване на позиция: Придобиване на позицията и скоростта на ротора в реално време с помощта на енкодер или резолвер, осигуряващ ъглова референция за трансформация на координати.

2. Вземане на проби и трансформация на тока: Събиране на трифазни токове на статора, които се преобразуват в токове по оста dq (контролират въртящия момент) чрез трансформация на Кларк/Парк.

3. Изчисление на DSP и PWM модулация: Цифров сигнален процесор (DSP) изчислява референтните стойности за токовете по оста dq въз основа на целевия въртящ момент и скорост, след което генерира сигнали за управление на инвертора чрез пространствено-векторна импулсно-широчинна модулация (SVPWM), за да регулира напрежението и честотата на статора.

Технически предимства: Векторното управление разделя магнитния поток и въртящия момент, намалявайки динамичното време за реакция до милисекунди и позволявайки пълен изходен въртящ момент при нулева скорост. Изисква обаче високопроизводителни цифрови сигнални процеси (DSP) или микроконтролери (MCU), което увеличава сложността на системата.

V. Предимства и недостатъци на PMSM

VI. PMSM срещу BLDC двигател с променлива честота: Технически връзки и разлики в приложението

Както PMSM, така и безчетковите DC двигатели с променлива честота (BLDC) са базирани на постоянни магнити и електронна комутация, но се различават по позиционирането на приложението:

​● BLDC: Фокусира се върху ниска цена и лесно управление, използвайки правоъгълно задвижване (трапецовидна обратна електродвижеща сила). Подходящ е за приложения с ниски изисквания за точност, като вентилатори и водни помпи.

​● PMSM: Приоритизира високата прецизност и производителност, използвайки синусоидално задвижване (синусоидална обратна електродвижеща сила) и поддържащ векторно управление. Широко се използва във висок клас области като промишлени роботи и електрически превозни средства.

Заключение

Със своята висока ефективност, компактен размер и превъзходна динамична реакция, синхронният двигател с постоянни магнити се превърна в „силово ядро“ на индустриалния и новия енергиен сектор. Въпреки предизвикателствата, свързани с разходите и сложността на управлението, напредъкът в материалите за постоянни магнити (напр. нискобюджетни самарий-желязо-азот) и технологиите за цифрово управление ще разширят допълнително сценариите му на приложение. В бъдеще, PMSM ще продължат да играят ключова роля в авангардни области като интелигентното производство и автономното шофиране.