Nella maggior parte dei casi, il controllo della velocità dei motori CA viene effettuato utilizzando un convertitore di frequenza (VFD). Sebbene molti scenari prevedano l'utilizzo di VFD con motori a induzione con avvolgimenti statorici per generare un campo magnetico rotante, è anche possibile ottenere un controllo preciso della velocità utilizzando sensori di feedback di velocità o posizione come riferimento al VFD.

In alcune situazioni, è possibile ottenere un controllo della velocità altrettanto preciso senza la necessità di sensori di feedback. Ciò è reso possibile dall'utilizzo di un motore a magneti permanenti (PM) e da un processo denominato "metodo di iniezione del segnale ad alta frequenza".

1. Motori PM

Un motore a magneti permanenti (PM) è un motore a corrente alternata che utilizza magneti incorporati o fissati alla superficie del rotore. I magneti vengono utilizzati per generare un flusso magnetico costante, anziché richiedere che il campo dello statore lo generi collegandosi al rotore, come avviene nei motori a induzione. Un quarto tipo di motore, noto come motore a magneti permanenti ad avviamento diretto (LSPM), incorpora le caratteristiche di entrambi i tipi di motore. Un motore LSPM combina i magneti di un motore PM all'interno del rotore con le barre del rotore di un motore a gabbia di scoiattolo per massimizzare la coppia e l'efficienza.

2. Forma d'onda della forza controelettromotrice

La fem indietro è l'abbreviazione di forza elettromotrice posteriore ma è anche conosciuta come forza controelettromotrice. La forza controelettromotrice è la tensione che si verifica nei motori elettrici quando c'è un movimento relativo tra gli avvolgimenti dello statore e il campo magnetico del rotore. Le proprietà geometriche del rotore determineranno la forma d'onda della forza controelettromotrice. Queste forme d'onda possono essere sinusoidali, trapezoidali, triangolari o qualcosa di intermedio.

Sia le macchine a induzione che quelle PM generano forme d'onda di back-emf. In una macchina a induzione, la forma d'onda della forza elettromotrice decade mentre il campo residuo del rotore decade lentamente a causa della mancanza di un campo dello statore. Tuttavia, con una macchina PM, il rotore genera il proprio campo magnetico. Pertanto, è possibile indurre una tensione negli avvolgimenti dello statore ogni volta che il rotore è in movimento. La tensione di back-emf aumenterà linearmente con la velocità ed è un fattore cruciale nel determinare la massima velocità operativa.

3. Comprendere la coppia della macchina PM

La coppia di una macchina elettrica può essere scomposta in due componenti: coppia magnetica e coppia di riluttanza. La coppia di riluttanza è la “forza che agisce sul materiale magnetico che tende ad allinearsi con il flusso principale per ridurre al minimo la riluttanza”. In altre parole, la coppia di riluttanza è la coppia generata dall'allineamento dell'albero del rotore al campo di flusso dello statore. La coppia magnetica è la "coppia generata dall'interazione tra il campo di flusso del magnete e la corrente nell'avvolgimento dello statore".

Coppia di riluttanza: la coppia di riluttanza si riferisce alla coppia generata attraverso l'allineamento del rotore che si verifica quando il campo magnetico forza un flusso diretto desiderato dal polo nord dello statore al polo sud dello statore.

Coppia magnetica: i magneti permanenti generano un campo di flusso nel rotore. Lo statore genera un campo che interagisce con il campo magnetico del rotore. La modifica della posizione del campo dello statore rispetto al campo del rotore provoca lo spostamento del rotore. Lo spostamento dovuto a questa interazione è la coppia magnetica.

4. SPM contro IPM

Un motore PM può essere suddiviso in due categorie principali: motori a magneti permanenti di superficie (SPM) e motori a magneti permanenti interni (IPM). Nessuno dei due tipi di motore contiene barre del rotore. Entrambi i tipi generano un flusso magnetico mediante i magneti permanenti fissati sul o all'interno del rotore.

I motori SPM sono dotati di magneti fissati all'esterno della superficie del rotore. A causa di questo montaggio meccanico, la loro resistenza meccanica è inferiore a quella dei motori IPM. La resistenza meccanica indebolita limita la massima velocità meccanica sicura del motore. Inoltre, questi motori presentano una salienza magnetica molto limitata (Ld ≈ Lq). I valori di induttanza misurati ai terminali del rotore sono coerenti indipendentemente dalla posizione del rotore. A causa del rapporto di salienza prossimo all’unità, i progetti di motori SPM si affidano in modo significativo, se non completamente, alla componente di coppia magnetica per produrre coppia.

I motori IPM hanno un magnete permanente incorporato nel rotore stesso. A differenza dei loro omologhi SPM, la posizione dei magneti permanenti rende i motori IPM molto robusti dal punto di vista meccanico e adatti a funzionare a velocità molto elevate. Questi motori sono inoltre definiti dal loro rapporto di salienza magnetica relativamente elevato (Lq > Ld). A causa della salienza magnetica, un motore IPM ha la capacità di generare coppia sfruttando sia la componente di coppia magnetica che quella di riluttanza del motore.

5. Strutture motorie PM

Le strutture dei motori PM possono essere suddivise in due categorie: interne e di superficie. Ogni categoria ha il suo sottoinsieme di categorie. Un motore PM di superficie può avere i suoi magneti sopra o inseriti nella superficie del rotore, per aumentare la robustezza del progetto. Il posizionamento e il design di un motore a magneti permanenti interni possono variare notevolmente. I magneti del motore IPM possono essere inseriti come un grande blocco o sfalsati man mano che si avvicinano al nucleo. Un altro metodo consiste nell'incorporarli in uno schema a raggi.

6. Variazione dell'induttanza del motore PM con il carico

Solo una certa quantità di flusso può essere collegata a un pezzo di ferro per generare coppia. Alla fine, il ferro si saturerà e non consentirà più il collegamento del flusso. Il risultato è una riduzione dell'induttanza del percorso intrapreso da un campo di flusso. In una macchina PM, i valori di induttanza degli assi d e q si ridurranno con l'aumento della corrente di carico.

Le induttanze degli assi d e q di un motore SPM sono quasi identiche. Poiché il magnete è all'esterno del rotore, l'induttanza dell'asse q diminuirà alla stessa velocità dell'induttanza dell'asse d. Tuttavia, l'induttanza di un motore IPM si ridurrà in modo diverso. Ancora una volta, l'induttanza dell'asse D è naturalmente inferiore perché il magnete si trova nel percorso del flusso e non genera proprietà induttive. Pertanto, c'è meno ferro da saturare nell'asse d, il che si traduce in una riduzione del flusso significativamente inferiore rispetto all'asse q.

7. Diminuzione/intensificazione del flusso dei motori PM

Il flusso in un motore a magnete permanente è generato dai magneti. Il campo di flusso segue un certo percorso, che può essere potenziato o contrastato. Aumentare o intensificare il campo di flusso consentirà al motore di aumentare temporaneamente la produzione di coppia. L'opposizione al campo del flusso annullerà il campo magnetico esistente del motore. Il campo magnetico ridotto limiterà la produzione di coppia, ma ridurrà la tensione di back-emf. La ridotta tensione di back-emf libera la tensione per spingere il motore a funzionare a velocità di uscita più elevate. Entrambi i tipi di funzionamento richiedono corrente motore aggiuntiva. La direzione della corrente del motore attraverso l'asse D, fornita dal controller del motore, determina l'effetto desiderato.

8. Autorilevamento e funzionamento a circuito chiuso

I recenti progressi nella tecnologia degli azionamenti consentono agli azionamenti CA standard di "autorilevare" e tracciare la posizione del magnete del motore. Un sistema a circuito chiuso utilizza in genere il canale z-pulse per ottimizzare le prestazioni. Attraverso determinate routine, l'azionamento conosce l'esatta posizione del magnete del motore tracciando i canali A/B e correggendo gli errori con il canale z. Conoscere la posizione esatta del magnete consente una produzione di coppia ottimale con conseguente efficienza ottimale.