موتورهای مغناطیس دائمی دقت بهره وری صنعتی را افزایش می دهند

موتورهای الکتریکی، خون حیات صنعت مدرن را به جریان می‌اندازند و در میان آن‌ها، موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) به عنوان یک راه‌حل برتر در بخش‌های مختلف در حال ظهور هستند. این موتورها چه مزایایی نسبت به موتورهای سنتی ارائه می‌دهند؟ چه طرح‌های مبتکرانه‌ای در ساختار آن‌ها پنهان شده است؟ چه استراتژی‌های کنترلی منحصربه‌فردی آن‌ها را متمایز می‌کند؟ این مقاله، یک تحلیل جامع از ساختار، اصول کار، روش‌های کنترل و کاربردهای PMSM ارائه می‌دهد.

موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) نوعی موتور سنکرون است که در آن میدان مغناطیسی تحریک توسط آهنرباهای دائم تأمین می‌شود. در مقایسه با موتورهای سنکرون تحریک الکتریکی سنتی، PMSMها نیازی به سیم‌پیچ‌های تحریک اضافی و منابع تغذیه ندارند که منجر به ساختار فشرده‌تر و راندمان بالاتر می‌شود. در مقایسه با موتورهای القایی، PMSMها چگالی توان، نسبت گشتاور به اینرسی و دقت کنترل بالاتری را ارائه می‌دهند و آن‌ها را برای درایوهای سروو با عملکرد بالا، وسایل نقلیه الکتریکی، تولید برق بادی و سایر کاربردها ایده‌آل می‌کند.

PMSMها در درجه اول از دو بخش تشکیل شده‌اند: استاتور و روتور. در حالی که ساختار اصلی آن‌ها شبیه موتورهای سنکرون معمولی است، طراحی روتور نشان‌دهنده نوآوری اصلی آن‌ها است.

استاتور، جزء ثابت PMSM، عمدتاً از هسته استاتور و سیم‌پیچ‌های استاتور تشکیل شده است. هسته استاتور معمولاً از ورق‌های فولادی سیلیکونی لمینت شده است تا تلفات آهنی به حداقل برسد. سیم‌پیچ‌های استاتور در شیارهای هسته استاتور تعبیه شده‌اند و سیم‌پیچ‌های AC چند فازی را تشکیل می‌دهند که پیکربندی‌های دو فاز و سه فاز رایج‌ترین هستند. بر اساس توزیع سیم‌پیچ، سیم‌پیچ‌های استاتور را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم کرد:

سیم‌پیچ‌های توزیع‌شده دارای چندین شیار در هر قطب در هر فاز (Q=2,3,...k) هستند. مزیت آن‌ها در سرکوب مؤثر هارمونیک‌های بالاتر و بهبود عملکرد موتور نهفته است، اگرچه پیچیدگی ساخت افزایش می‌یابد.

سیم‌پیچ‌های متمرکز از یک شیار در هر قطب در هر فاز (Q=1) استفاده می‌کنند. در حالی که ساخت آن‌ها ساده‌تر است، محتوای هارمونیک بالاتری تولید می‌کنند که نیاز به اقدامات اضافی برای سرکوب هارمونیک دارد.

روتور، جزء دوار، دارای آهنرباهای دائم به عنوان نوآوری اصلی خود است. بر اساس قرارگیری آهنربا، PMSMها به دسته‌های زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

در SPMSMها، آهنرباها مستقیماً روی سطح روتور نصب می‌شوند. این طراحی میدان‌های مغناطیسی شکاف هوایی شبه سینوسی تولید می‌کند و طراحی پارامترهای اندوکتانس را ساده می‌کند، اما از استحکام مکانیکی کمتر و آسیب‌پذیری آهنربا در برابر تأثیرات شکاف هوا رنج می‌برد.

IPMSMها آهنرباها را در داخل روتور تعبیه می‌کنند و استحکام مکانیکی بالاتری را ارائه می‌دهند و توانایی استفاده از گشتاور رلوکتانس را برای افزایش چگالی گشتاور دارند. پیکربندی‌های مختلف آهنربای داخلی وجود دارد، از جمله آرایش‌های تک لایه، چند لایه و نوع V.

طبقه‌بندی بیشتر بر اساس نسبت برجستگی، PMSMها را به دسته‌های زیر تقسیم می‌کند:

• PMSMهای قطب برجسته: جایی که اندوکتانس محور مستقیم (Ld) با اندوکتانس محور مربع (Lq) متفاوت است.
• PMSMهای قطب غیر برجسته: جایی که Ld برابر با Lq است.

PMSMها از طریق تعامل بین میدان مغناطیسی دوار استاتور و میدان آهنربای دائم روتور کار می‌کنند. هنگامی که جریان AC چند فازی متقارن از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور جریان می‌یابد، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کند. میدان آهنربای دائم روتور با این میدان دوار همگام می‌شود و گشتاوری تولید می‌کند که باعث چرخش می‌شود. عملکرد سنکرون زمانی رخ می‌دهد که سرعت روتور با سرعت چرخش میدان استاتور مطابقت داشته باشد.

مشابه موتورهای القایی، جریان AC سه فاز در سیم‌پیچ‌های استاتور PMSM یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کند. سرعت چرخش میدان به فرکانس منبع تغذیه و جفت قطب‌های استاتور بستگی دارد:

n = 60f / p

جایی که n سرعت چرخش (دور در دقیقه)، f فرکانس (هرتز) و p تعداد جفت قطب است.

تعامل بین میدان‌های آهنربای دائم روتور و میدان‌های دوار استاتور، گشتاور الکترومغناطیسی تولید می‌کند. بزرگی گشتاور به قدرت میدان، رابطه زاویه‌ای آن‌ها و پارامترهای ساختاری موتور بستگی دارد. SPMSMها در درجه اول گشتاور آهنربای دائم تولید می‌کنند، در حالی که IPMSMها به دلیل طراحی قطب برجسته خود، هم گشتاور آهنربای دائم و هم گشتاور رلوکتانس تولید می‌کنند.

کنترل PMSM با هدف تنظیم دقیق سرعت، گشتاور و موقعیت است. با توجه به ماهیت غیرخطی و به شدت جفت‌شده آن‌ها، کنترل PMSM چالش‌های منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهد. رویکردهای کنترلی رایج عبارتند از:

این روش ساده، سرعت موتور را با حفظ نسبت ولتاژ به فرکانس ثابت کنترل می‌کند. در حالی که مقرون به صرفه است، دقت و عملکرد دینامیکی محدودی را ارائه می‌دهد و آن را برای کاربردهای با عملکرد بالا نامناسب می‌کند.

این تکنیک پیشرفته، جریان استاتور را به اجزای تحریک و گشتاور برای کنترل مستقل تجزیه می‌کند. FOC دقت بالا و پاسخ دینامیکی را ارائه می‌دهد، اما به الگوریتم‌های پیچیده‌ای شامل تبدیل مختصات و شناسایی پارامترها نیاز دارد.

با استفاده از شار روتور به عنوان مرجع، این روش جریان استاتور را به اجزای محور d و محور q برای کنترل تحریک و گشتاور جداگانه تجزیه می‌کند، که امکان پاسخ گشتاور سریع را فراهم می‌کند اما به داده‌های دقیق موقعیت روتور نیاز دارد.

این تغییر از شار استاتور به عنوان مرجع استفاده می‌کند، که وابستگی مستقیم به موقعیت روتور را از بین می‌برد اما پیچیدگی الگوریتمی را افزایش می‌دهد.

DTC گشتاور را مستقیماً با کنترل بردارهای ولتاژ استاتور برای مطابقت با مقادیر گشتاور و شار مرجع تنظیم می‌کند. در حالی که از نظر ساختاری ساده با دینامیک عالی است، موج گشتاور قابل توجهی تولید می‌کند که نیاز به اقدامات کاهشی دارد.

حذف سنسورهای موقعیت، هزینه و پیچیدگی را کاهش می‌دهد. تکنیک‌های بدون سنسور رایج عبارتند از:

این روش موقعیت روتور را از مشاهدات Back-EMF تخمین می‌زند، اما در سرعت‌های پایین به دلیل دامنه سیگنال‌های کوچک که در برابر تداخل نویز آسیب‌پذیر هستند، با مشکل مواجه می‌شود.

با تزریق سیگنال‌های فرکانس بالا و نظارت بر تغییرات اندوکتانس ناشی از اثرات برجستگی، این رویکرد برای IPMSMها خوب عمل می‌کند اما به فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتری نیاز دارد.

این روش ساده که برای PMSMها با Back-EMF ذوزنقه‌ای استفاده می‌شود، موج گشتاور قابل توجهی تولید می‌کند. پیاده‌سازی‌های حلقه بسته به سنسورهای Hall برای بازخورد موقعیت نیاز دارند.

در مقایسه با موتورهای القایی سنتی، PMSMها ارائه می‌دهند:

حذف جریان تحریک، تلفات را کاهش می‌دهد، که به ویژه در بارهای سبک قابل توجه است. مطالعات نشان می‌دهد که PMSMها تقریباً 2٪ راندمان بالاتری نسبت به موتورهای القایی با راندمان ممتاز (IE3) تحت شرایط مشابه دارند.

آهنرباهای دائم با انرژی بالا، میدان‌های مغناطیسی قوی‌تری را در ابعاد فشرده امکان‌پذیر می‌کنند و توان بیشتری را در واحد حجم ارائه می‌دهند.

طراحی‌های روتور فشرده با اینرسی کم، عملیات راه‌اندازی و توقف سریع و شتاب را تسهیل می‌کنند و پاسخ دینامیکی را افزایش می‌دهند.

روش‌های کنترل پیشرفته مانند FOC و DTC امکان تنظیم دقیق سرعت، گشتاور و موقعیت را فراهم می‌کنند و نیازهای کاربردهای سروو را برآورده می‌کنند.

PMSMها در زمینه‌های مختلف برتری دارند:

PMSMها که برای سیستم‌های پیشرانه EV ایده‌آل هستند، برد و شتاب را بهبود می‌بخشند. تولیدکنندگان بزرگ مانند تسلا و BYD این فناوری را پذیرفته‌اند.

توربین‌های بادی PMSM با درایو مستقیم، گیربکس‌ها را حذف می‌کنند، تلفات مکانیکی و نگهداری را کاهش می‌دهند و در عین حال قابلیت اطمینان را در محیط‌های خشن بهبود می‌بخشند.

PMSMها به عنوان اجزای اصلی در سیستم‌های سروو با عملکرد بالا، نیازهای دقیق ربات‌های صنعتی و ابزارهای ماشین CNC را برآورده می‌کنند.

PMSMها که به طور گسترده در تهویه‌کننده‌های هوا، ماشین‌های لباسشویی و یخچال‌های مبتنی بر اینورتر استفاده می‌شوند، راندمان انرژی را افزایش می‌دهند و در عین حال نویز را کاهش می‌دهند و طول عمر را افزایش می‌دهند.

PMSMها با راندمان، چگالی توان و دقت کنترل برتر خود، نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی در فناوری موتور هستند. با ادامه تکامل مواد آهنربای دائم و الگوریتم‌های کنترل، کاربردها بیشتر به تحرک الکتریکی، تولید هوشمند و هوافضا گسترش خواهند یافت. تحقیقات مداوم در طراحی موتور، استراتژی‌های کنترل و تکنیک‌های بدون سنسور، نویدبخش توسعه مداوم PMSM است.