Motors d'accionament Pumbaa PMSM de 60 kW per a vehicles elèctrics PML60

1. Motor de cable pla
• La forma de bobinatge del motor passa gradualment de filferro rodó a filferro pla, amb una alta taxa d'ompliment de ranures, extrems curts, alta densitat de potència i forta capacitat de dissipació de calor

2. Disseny d'aïllament d'alta tensió
• El motor adopta nous materials i processos aïllants per satisfer els requisits d'alta freqüència de commutació dels controladors SiC per a motors cada cop més ràpids.

•3. Rodaments aïllats d'alta velocitat i alta resistència
• El disseny del motor utilitza coixinets aïllats, que poden complir els requisits de disseny de 24000 RPM/min; i pot inhibir eficaçment la generació de corrosió elèctrica dels coixinets

4. Motor refrigerat per oli
• El motor adopta una estructura refrigerada per oli d'alta velocitat, que redueix eficaçment la potència nominal després de reduir el volum, cosa que no només millora l'eficiència, sinó que també millora la vida útil del sistema

5. Excel·lent rendiment NVH
• El rotor del motor adopta una estructura de pols inclinats segmentats, que optimitza eficaçment el NVH del sistema motor

En els camps de l'automatització industrial, els vehicles de noves energies i la robòtica d'alta gamma, els motors síncrons d'imants permanents (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) s'han convertit en una opció bàsica per als sistemes d'accionament a causa de la seva alta eficiència, mida compacta i característiques de resposta dinàmica superiors. Aquest article proporciona una anàlisi exhaustiva d'aquesta tecnologia crítica de motors des de múltiples dimensions, incloent-hi la definició, els principis de funcionament, el disseny estructural, la lògica de control, els avantatges i els desavantatges, i una comparació amb els motors de freqüència variable BLDC.

I. Definició i característiques bàsiques de les PMSM

Un motor síncron d'imants permanents és un motor síncron de corrent altern trifàsic. La seva característica definidora és que el rotor no requereix cap debanament d'excitació; en canvi, genera un camp magnètic constant directament a través d'imants permanents (per exemple, neodimi-ferro-bor, samari-cobalt), que funcionen sincronitzadament amb el camp magnètic giratori produït pels debanaments de l'estator.

En comparació amb els motors d'inducció tradicionals, els PMSM presenten avantatges significatius:

​● Alta eficiència: el rotor no pateix pèrdues d'excitació (les pèrdues de coure són insignificants), cosa que resulta en una densitat de potència més d'un 30% superior a la dels motors d'inducció.

​● Alta resposta dinàmica: capaç de lliurar el parell màxim a velocitat zero, cosa que el fa adequat per a aplicacions que requereixen operacions d'arrencada i parada freqüents.

​● Soroll baix i parell motor suau: dissenyat amb una força electromotriu posterior (EMF) sinusoidal, funciona amb una vibració mínima.

​● Factor de potència elevat: El camp magnètic del rotor és proporcionat per imants permanents, eliminant el component d'excitació en el corrent de l'estator. Com a resultat, el factor de potència del sistema s'aproxima a 1.

(PMSM)

II. Principi de funcionament del PMSM

El funcionament d'un PMSM es basa en el mecanisme de "sincronització del camp magnètic estator-rotor", que es desenvolupa de la següent manera:

1. Generació del camp magnètic giratori de l'estator: Quan s'aplica un corrent altern trifàsic als debanaments trifàsics de l'estator, es genera un camp magnètic giratori a l'entreferro, que gira a la velocitat síncrona ns = 60 f/p.

(on f és la freqüència de la font d'alimentació i p és el nombre de parells de pols).

2. Sincronització del camp magnètic del rotor: el camp magnètic dels imants permanents del rotor interactua amb el camp magnètic giratori de l'estator, produint un parell electromagnètic que fa que el rotor giri a la velocitat síncrona en alineació amb el camp de l'estator.

3. Característica de no autoarrencada: a causa de la posició inicial desconeguda del rotor i la incapacitat d'autogenerar el parell d'arrencada, els PMSM requereixen coordinació amb un inversor (que proporciona energia de freqüència variable) per aconseguir un arrencada suau. El funcionament normal només comença després que la velocitat arribi a un llindar.

III. Estructura central del PMSM: estator i rotor

L'estructura d'un PMSM és similar a la d'un motor síncron convencional, però el disseny del rotor és el diferenciador clau, que influeix directament en el rendiment i els escenaris d'aplicació.

1. Estator: el centre neuràlgic de la conversió d'energia

L'estructura de l'estator és en gran mesura coherent amb la dels motors d'inducció de corrent altern, composta principalment per un nucli de ferro i debanaments trifàsics:

​● Nucli de ferro: Fet de làmines d'acer al silici laminat per reduir les pèrdues per corrents de Foucault.

● Debanaments: Els debanaments trifàsics es distribueixen sinusoïdalment a les ranures de l'estator. Quan s'energitzen, generen una força electromotriu inversa gairebé sinusoidal, garantint que el corrent i la tensió de sortida estiguin en fase (millorant el factor de potència).

2. Rotor: El nucli accionat per imants permanents

El rotor no té debanaments d'excitació i genera el seu camp magnètic mitjançant imants permanents. Es classifica en dos tipus segons el mètode d'instal·lació de l'imant permanent:

​● Motor síncron d'imants permanents (SPM) muntat en superfície: Els imants permanents estan units a la superfície del rotor i coberts per una funda protectora (per exemple, fibra de carboni) per evitar danys centrífugs. Caracteritzats per una alta densitat de flux magnètic en entreferro, els SPM són ideals per a aplicacions sensibles al volum i al pes (per exemple, accionaments de drons).

​● Motor síncron d'imants permanents interiors (IPM): Els imants permanents estan integrats dins del rotor (per exemple, en ranures en forma de V o U). Aprofitant el parell de reluctància (parell addicional generat pel circuit magnètic asimètric del nucli del rotor), els IPM milloren la capacitat de sortida. Amb una major eficiència i una major capacitat de sobrecàrrega, els IPM s'utilitzen àmpliament en sistemes d'accionament de vehicles elèctrics.

(MOTOR DE VEHICLE ELE)

IV. Principi de control del PMSM: control vectorial i tecnologies digitals

Per aconseguir un control de velocitat i parell d'alta precisió, els PMSM es basen en la tecnologia de control vectorial (Field-Oriented Control, FOC). El seu nucli consisteix a convertir quantitats de CA trifàsiques en quantitats de CC (eix dq) en un sistema de coordenades giratori mitjançant la transformació de coordenades, permetent un control independent del flux i el parell.

Passos clau en el procés de control:

1. Detecció de posició: Adquisició en temps real de la posició i la velocitat del rotor mitjançant un encoder o resolver, que proporciona una referència angular per a la transformació de coordenades.

2. Mostreig i transformació de corrent: recollida de corrents trifàsics de l'estator, que es converteixen en corrents de l'eix dq (controla el parell) mitjançant la transformació de Clarke/Park.

3. Càlcul DSP i modulació PWM: un processador de senyals digitals (DSP) calcula els valors de referència per als corrents de l'eix dq en funció del parell i la velocitat objectiu i, a continuació, genera senyals d'accionament de l'inversor mitjançant la modulació d'amplada de pols vectorial espacial (SVPWM) per regular la tensió i la freqüència de l'estator.

Avantatges tècnics: el control vectorial desacobla el flux i el parell, reduint el temps de resposta dinàmica a mil·lisegons i permetent una sortida de parell complet a velocitat zero. Tanmateix, requereix DSP o MCU d'alt rendiment, cosa que augmenta la complexitat del sistema.

V. Avantatges i desavantatges de la PMSM

VI. Motor de freqüència variable PMSM vs. BLDC: connexions tècniques i diferències d'aplicació

Tant els PMSM com els motors de freqüència variable de corrent continu sense escombretes (BLDC) es basen en imants permanents i commutació electrònica, però difereixen en el posicionament de l'aplicació:

​● BLDC: Se centra en un baix cost i un control senzill, utilitzant un accionament d'ona quadrada (EMF trapezoïdal posterior). És adequat per a aplicacions amb requisits de baixa precisió, com ara ventiladors i bombes d'aigua.

​● PMSM: Prioritza l'alta precisió i el rendiment, utilitzant un accionament sinusoidal (EMF sinusoidal inversa) i suportant el control vectorial. S'utilitza àmpliament en camps d'alta gamma com ara robots industrials i vehicles elèctrics.

Conclusió

Amb la seva alta eficiència, mida compacta i resposta dinàmica superior, el motor síncron d'imants permanents s'ha convertit en el "nucli de potència" dels sectors industrials i de les noves energies. Malgrat els reptes en termes de costos i complexitat de control, els avenços en els materials d'imants permanents (per exemple, samari-ferro-nitrogen de baix cost) i les tecnologies de control digital ampliaran encara més els seus escenaris d'aplicació. En el futur, els PMSM continuaran jugant un paper crític en camps d'avantguarda com la fabricació intel·ligent i la conducció autònoma.