Grazie alla loro compattezza e all'elevata densità di coppia, i motori sincroni a magneti permanenti sono ampiamente utilizzati in numerose applicazioni industriali, soprattutto per sistemi di azionamento ad alte prestazioni come i sistemi di propulsione dei sottomarini. I motori sincroni a magneti permanenti non necessitano di anelli collettori per l'eccitazione, il che riduce la manutenzione e l'usura del rotore. Offrono un'elevata efficienza e sono adatti a sistemi di azionamento ad alte prestazioni come macchine utensili a controllo numerico (CNC), robot e sistemi di produzione automatizzati nell'industria.

In generale, la progettazione e la costruzione dei motori sincroni a magneti permanenti deve considerare sia la struttura dello statore che quella del rotore per ottenere motori ad alte prestazioni.

Costruzione di motore sincrono a magneti permanenti

Densità del flusso del traferro: determinata in base al design dei motori asincroni, ecc., al design del rotore a magnete permanente e ai requisiti speciali per l'utilizzo di avvolgimenti statorici commutati. Inoltre, si presuppone che lo statore sia uno statore scanalato. La densità del flusso del traferro è limitata dalla saturazione del nucleo dello statore. In particolare, la densità del flusso di picco è limitata dalla larghezza del dente, mentre la parte posteriore dello statore determina il flusso totale massimo.

Inoltre, il livello di saturazione consentito dipende dall'applicazione. In genere, un motore ad alta efficienza ha una densità di flusso bassa, mentre un motore progettato per la densità di coppia massima ha una densità di flusso elevata. La densità del flusso di picco del traferro è tipicamente compresa tra 0.7 e 1.1 Tesla. Si noti che questa è la densità del flusso totale, che è la somma dei flussi del rotore e dello statore. Ciò significa che se la forza di reazione dell'armatura è inferiore, significa che la coppia di allineamento è maggiore.

Tuttavia, per ottenere un ampio contributo di coppia di riluttanza, la forza di reazione dello statore deve essere elevata. I parametri della macchina mostrano che per ottenere la coppia di allineamento sono necessari principalmente un grande me una piccola induttanza L. Questo è generalmente adatto per il funzionamento al di sotto della velocità base, poiché l'elevata induttanza riduce il fattore di potenza.

Materiale del magnete permanente:

I magneti svolgono un ruolo importante in molti dispositivi, pertanto è importante migliorare le proprietà di questi materiali e attualmente l'attenzione è focalizzata su materiali basati su terre rare e metalli di transizione per ottenere magneti permanenti con elevate proprietà magnetiche. A seconda della tecnologia, i magneti hanno proprietà magnetiche e meccaniche diverse e presentano una diversa resistenza alla corrosione.

I magneti al neodimio ferro boro (Nd2Fe14B) e samario cobalto (Sm1Co5 e Sm2Co17) sono oggi i materiali magnetici permanenti commerciali più avanzati. All'interno di ciascuna classe di magneti in terre rare, esiste un'ampia varietà di gradi. I magneti NdFeB iniziarono ad essere commercializzati all'inizio degli anni '1980. Oggi sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni diverse. Il costo di questo materiale magnetico (calcolato per prodotto energetico) è paragonabile al costo dei magneti in ferrite e, su base al chilogrammo, i magneti NdFeB costano da 10 a 20 volte di più dei magneti in ferrite.

Alcune proprietà importanti utilizzate per confrontare i magneti permanenti sono la Rimanenza (Mr), che misura la forza del campo magnetico di un magnete permanente, la Coercività (Hcj), la capacità di un materiale di resistere alla smagnetizzazione, il Prodotto Energetico (BHmax), la Densità dell'Energia Magnetica; Temperatura di Curie (TC), la temperatura alla quale il materiale perde il suo magnetismo. I magneti al neodimio hanno una rimanenza più elevata, una forza coercitiva e un prodotto energetico più elevati, ma generalmente i tipi di temperatura Curie più bassi, neodimio, terbio e disprosio per mantenere le loro proprietà magnetiche alle alte temperature.

Design del motore sincrono a magneti permanenti

Nella progettazione di un motore sincrono a magnete permanente (PMSM), la costruzione del rotore a magnete permanente si basa sul telaio dello statore di un motore a induzione trifase senza modificare la geometria dello statore e degli avvolgimenti. Le specifiche e la geometria includono velocità del motore, frequenza, numero di poli, lunghezza dello statore, diametri interno ed esterno e numero di scanalature del rotore. Il design del motore sincrono a magnete permanente comprende perdite di rame, forza elettromotrice posteriore, perdite di ferro e autoinduttanza, induttanza reciproca, flusso magnetico, resistenza statorica, ecc.

Calcolo dell'auto e della mutua induttanza:

L'induttanza L può essere definita come il rapporto tra il flusso concatenato e la corrente I che produce il flusso in henry (H), pari a Weber per ampere. Un induttore è un dispositivo utilizzato per immagazzinare energia in un campo magnetico, in modo simile a come un condensatore immagazzina energia in un campo elettrico. Un induttore è solitamente costituito da una bobina, solitamente avvolta attorno a un nucleo di ferrite o ferromagnetico, e il suo valore di induttanza è correlato solo alla struttura fisica del conduttore e alla permeabilità del materiale attraverso il quale passa il flusso magnetico.

I passaggi per trovare l'induttanza sono i seguenti: 1. Supponiamo che ci sia una corrente I nel conduttore. 2. Utilizzare la legge di Biot-Savart o la legge del circuito di Ampere (se disponibile) per determinare che B è sufficientemente simmetrico. 3. Calcolare il flusso totale che collega tutti i circuiti. 4. Moltiplicare il flusso magnetico totale per il numero di circuiti per ottenere il flusso concatenato e progettare il motore sincrono a magneti permanenti attraverso la valutazione dei parametri richiesti.

Lo studio ha rilevato che la progettazione dell'utilizzo di NdFeB come materiale del rotore a magnete permanente CA aumenta il flusso magnetico generato nel traferro, determinando una diminuzione del raggio interno dello statore, mentre il raggio interno dello statore utilizzando il permanente al samario cobalto il materiale del rotore magnetico è più grande. I risultati mostrano che la perdita effettiva di rame nel NdFeB è ridotta dell'8.124%. Per il samario cobalto come materiale a magnete permanente, il flusso magnetico sarà una variazione sinusoidale. In generale, la progettazione e la costruzione dei motori sincroni a magneti permanenti deve considerare sia la struttura dello statore che quella del rotore per ottenere motori ad alte prestazioni.

In conclusione

Il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è un motore sincrono che utilizza materiali ad alta magnetizzazione per la magnetizzazione. Presenta caratteristiche di elevata efficienza, struttura semplice e facilità di controllo. Questo tipo di motore sincrono a magneti permanenti trova applicazione in diversi settori, come la trazione, l'industria automobilistica, la robotica e l'industria aerospaziale. La densità di potenza dei motori sincroni a magneti permanenti è superiore a quella dei motori a induzione di pari potenza nominale, poiché non vi è alcuna potenza dello statore dedicata alla generazione di campi magnetici.

Allo stato attuale, la progettazione del motore sincrono a magnete permanente non solo richiede più potenza ma richiede anche una massa inferiore e momenti di inerzia inferiori.