موتورهای محرک PMSM پومبا 60 کیلووات برای خودروهای الکتریکی PML60

۱. موتور سیم تخت
• شکل سیم‌پیچ موتور به تدریج از سیم گرد به سیم تخت تغییر می‌کند، با سرعت پر شدن شیار بالا، انتهای کوتاه، چگالی توان بالا و ظرفیت اتلاف حرارت قوی

۲. طراحی عایق ولتاژ بالا
• این موتور از مواد عایق و فرآیندهای جدید برای برآورده کردن الزامات فرکانس سوئیچینگ بالای کنترل‌کننده‌های SiC برای موتورهای با سرعت بالا استفاده می‌کند.

•۳. یاتاقان‌های عایق‌بندی شده با سرعت بالا و سنگین
• در طراحی موتور از یاتاقان‌های عایق‌بندی شده استفاده شده است که می‌تواند الزامات طراحی 24000 دور در دقیقه را برآورده کند؛ و می‌تواند به طور موثری از ایجاد خوردگی الکتریکی یاتاقان‌ها جلوگیری کند.

۴. موتور خنک‌شونده با روغن
• موتور از ساختار خنک‌کننده روغنی با سرعت بالا استفاده می‌کند که پس از کاهش حجم، به طور موثری قدرت نامی را کاهش می‌دهد، که نه تنها راندمان را بهبود می‌بخشد، بلکه عمر مفید سیستم را نیز بهبود می‌بخشد.

۵. عملکرد عالی NVH
• روتور موتور از ساختار قطب شیب‌دار قطعه‌بندی‌شده استفاده می‌کند که به طور مؤثر NVH سیستم موتور را بهینه می‌کند.

در زمینه‌های اتوماسیون صنعتی، وسایل نقلیه با انرژی جدید و رباتیک پیشرفته، موتورهای سنکرون آهنربای دائم (موتور سنکرون آهنربای دائم، PMSM) به دلیل راندمان بالا، اندازه جمع و جور و ویژگی‌های پاسخ دینامیکی برتر، به عنوان یک انتخاب اصلی برای سیستم‌های درایو ظهور کرده‌اند. این مقاله تجزیه و تحلیل جامعی از این فناوری حیاتی موتور از ابعاد مختلف، از جمله تعریف، اصول کار، طراحی ساختاری، منطق کنترل، مزایا و معایب و مقایسه با موتورهای فرکانس متغیر BLDC ارائه می‌دهد.

I. تعریف و ویژگی‌های اصلی PMSM

موتور سنکرون آهنربای دائم، یک موتور سنکرون AC سه فاز است. ویژگی بارز آن این است که روتور نیازی به سیم‌پیچ تحریک ندارد؛ در عوض، یک میدان مغناطیسی ثابت را مستقیماً از طریق آهنرباهای دائمی (مثلاً نئودیمیوم-آهن-بور، ساماریوم-کبالت) تولید می‌کند که به صورت سنکرون با میدان مغناطیسی دوار تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های استاتور کار می‌کند.

در مقایسه با موتورهای القایی سنتی، PMSMها مزایای قابل توجهی دارند:

‎‏‎ ...● راندمان بالا: روتور هیچ تلفات تحریکی ندارد (تلفات مسی ناچیز است)، که منجر به چگالی توان بیش از 30٪ بیشتر از موتورهای القایی می‌شود.

‎‏‎ ...● پاسخ دینامیکی بالا: قادر به ارائه گشتاور کامل در سرعت صفر است، که آن را برای کاربردهایی که نیاز به عملیات استارت-استاپ مکرر دارند، مناسب می‌کند.

‎‏‎ ...● صدای کم و گشتاور روان: با نیروی محرکه الکتریکی معکوس سینوسی (EMF) طراحی شده است و با حداقل لرزش کار می‌کند.

‎‏‎ ...● ضریب توان بالا: میدان مغناطیسی روتور توسط آهنرباهای دائمی تأمین می‌شود و مؤلفه تحریک را در جریان استاتور حذف می‌کند. در نتیجه، ضریب توان سیستم به ۱ نزدیک می‌شود.

(پی ام اس ام)

دوم. اصول کار PMSM

عملکرد یک PMSM به مکانیسم "همزمان سازی میدان مغناطیسی استاتور-روتور" متکی است که به شرح زیر عمل می‌کند:

۱. تولید میدان مغناطیسی دوار استاتور: هنگامی که جریان AC سه فاز به سیم‌پیچ‌های سه فاز استاتور اعمال می‌شود، یک میدان مغناطیسی دوار در فاصله هوایی تولید می‌شود که با سرعت سنکرون ns=60f/p می‌چرخد.

(که در آن f فرکانس منبع تغذیه و p تعداد جفت قطب‌ها است).

۲. همزمان‌سازی میدان مغناطیسی روتور: میدان مغناطیسی حاصل از آهنرباهای دائمی روتور با میدان مغناطیسی دوار استاتور برهمکنش می‌کند و گشتاور الکترومغناطیسی تولید می‌کند که روتور را به چرخش با سرعت همزمان و همسو با میدان استاتور سوق می‌دهد.

۳. مشخصه عدم خودراه‌اندازی: به دلیل موقعیت اولیه نامعلوم روتور و عدم توانایی در تولید گشتاور راه‌اندازی خودکار، PMSMها برای دستیابی به راه‌اندازی نرم، نیاز به هماهنگی با یک اینورتر (تأمین‌کننده توان با فرکانس متغیر) دارند. عملکرد عادی تنها پس از رسیدن سرعت به یک آستانه آغاز می‌شود.

III. ساختار اصلی PMSM: استاتور و روتور

ساختار یک PMSM مشابه ساختار یک موتور سنکرون معمولی است، اما طراحی روتور آن وجه تمایز کلیدی آن است که مستقیماً بر عملکرد و سناریوهای کاربردی تأثیر می‌گذارد.

۱. استاتور: قطب تبدیل انرژی

ساختار استاتور تا حد زیادی با موتورهای القایی AC سازگار است، که در درجه اول از یک هسته آهنی و سیم‌پیچ‌های سه فاز تشکیل شده است:

‎‏‎ ...● هسته آهنی: از ورق‌های فولادی سیلیکونی چندلایه ساخته شده تا تلفات جریان گردابی را کاهش دهد.

● سیم‌پیچ‌ها: سیم‌پیچ‌های سه فاز به صورت سینوسی در شیارهای استاتور توزیع شده‌اند. هنگامی که انرژی‌دار می‌شوند، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس تقریباً سینوسی تولید می‌کنند که تضمین می‌کند جریان و ولتاژ خروجی هم فاز هستند (ضریب توان را افزایش می‌دهد).

۲. روتور: هسته که توسط آهنرباهای دائمی به حرکت در می‌آید

روتور فاقد سیم‌پیچ تحریک است و میدان مغناطیسی خود را از طریق آهنرباهای دائمی تولید می‌کند. بر اساس روش نصب آهنربای دائمی به دو نوع تقسیم می‌شود:

‎‏‎ ...● موتور سنکرون آهنربای دائم نصب‌شده روی سطح (SPM): آهنرباهای دائم به سطح روتور متصل شده و توسط یک غلاف محافظ (مثلاً فیبر کربن) پوشانده شده‌اند تا از آسیب گریز از مرکز جلوگیری شود. SPMها که با چگالی شار مغناطیسی در فاصله هوایی بالا مشخص می‌شوند، برای کاربردهای حساس به حجم و وزن (مثلاً درایوهای پهپاد) ایده‌آل هستند.

‎‏‎ ...● موتور سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPM): آهنرباهای دائم در داخل روتور تعبیه شده‌اند (مثلاً در شیارهای V شکل یا U شکل). با استفاده از گشتاور رلوکتانس (گشتاور اضافی تولید شده توسط مدار مغناطیسی نامتقارن هسته روتور)، IPMها قابلیت خروجی را افزایش می‌دهند. IPMها با راندمان بالاتر و ظرفیت اضافه بار قوی‌تر، به طور گسترده در سیستم‌های محرک خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند.

(موتور برقی)

IV. اصول کنترل PMSM: کنترل برداری و فناوری‌های دیجیتال

برای دستیابی به کنترل سرعت و گشتاور با دقت بالا، PMSMها به فناوری کنترل برداری (کنترل میدان-محور، FOC) متکی هستند. هسته اصلی آن شامل تبدیل مقادیر AC سه فاز به مقادیر DC (محور dq) در یک سیستم مختصات دوار از طریق تبدیل مختصات است که امکان کنترل مستقل شار و گشتاور را فراهم می‌کند.

مراحل کلیدی در فرآیند کنترل:

۱. تشخیص موقعیت: بدست آوردن موقعیت و سرعت روتور در زمان واقعی با استفاده از یک انکودر یا رزولور، که مرجع زاویه‌ای را برای تبدیل مختصات فراهم می‌کند.

۲. نمونه‌برداری و تبدیل جریان: جمع‌آوری جریان‌های سه فاز استاتور، که از طریق تبدیل کلارک/پارک به جریان‌های محور dq تبدیل می‌شوند (گشتاور را کنترل می‌کنند).

۳. محاسبات DSP و مدولاسیون PWM: یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) مقادیر مرجع جریان‌های محور dq را بر اساس گشتاور و سرعت هدف محاسبه می‌کند، سپس سیگنال‌های درایو اینورتر را از طریق مدولاسیون پهنای پالس بردار فضایی (SVPWM) برای تنظیم ولتاژ و فرکانس استاتور تولید می‌کند.

مزایای فنی: کنترل برداری، شار و گشتاور را از هم جدا می‌کند، زمان پاسخ دینامیکی را به میلی‌ثانیه کاهش می‌دهد و امکان خروجی گشتاور کامل را در سرعت صفر فراهم می‌کند. با این حال، به DSPها یا MCUهای با کارایی بالا نیاز دارد که پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد.

V. مزایا و معایب PMSM

VI. موتور فرکانس متغیر PMSM در مقابل موتور فرکانس متغیر BLDC: ارتباطات فنی و تفاوت‌های کاربردی

هر دو موتور PMSM و موتورهای فرکانس متغیر DC بدون جاروبک (BLDC) مبتنی بر آهنرباهای دائمی و کموتاسیون الکترونیکی هستند، اما در موقعیت کاربردی متفاوتند:

‎‏‎ ...● BLDC: با استفاده از درایو موج مربعی (EMF ذوزنقه‌ای برگشتی) بر روی هزینه کم و کنترل ساده تمرکز دارد. این نوع درایو برای کاربردهایی با دقت پایین مانند فن‌ها و پمپ‌های آب مناسب است.

‎‏‎ ...● PMSM: با استفاده از درایو سینوسی (EMF معکوس سینوسی) و کنترل برداری پشتیبان، دقت و عملکرد بالا را در اولویت قرار می‌دهد. این سیستم به طور گسترده در زمینه‌های پیشرفته مانند ربات‌های صنعتی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیری

موتور سنکرون آهنربای دائم با راندمان بالا، اندازه جمع و جور و پاسخ دینامیکی برتر، به "هسته قدرت" بخش‌های صنعتی و انرژی‌های نو تبدیل شده است. علیرغم چالش‌های موجود در هزینه و پیچیدگی کنترل، پیشرفت‌ها در مواد آهنربای دائم (به عنوان مثال، ساماریوم-آهن-نیتروژن کم‌هزینه) و فناوری‌های کنترل دیجیتال، سناریوهای کاربردی آن را بیشتر گسترش خواهد داد. در آینده، PMSMها همچنان نقش حیاتی در زمینه‌های پیشرفته‌ای مانند تولید هوشمند و رانندگی خودکار ایفا خواهند کرد.