¿Dónde está la dirección de desarrollo futura del motor sincrónico de imán permanente?

¿Dónde está la dirección de desarrollo futura del motor sincrónico de imán permanente? Análisis de la tecnología actual y la tendencia de desarrollo

El desarrollo de materiales magnéticos permanentes de tierras raras en la década de 1970 condujo a la aparición de motores magnéticos permanentes de tierras raras. Estos motores utilizan imanes de tierras raras para la excitación, que generan un campo magnético permanente cuando se magnetizan. Con un rendimiento de excitación superior, superan a los motores convencionales excitados eléctricamente en estabilidad, calidad y reducción de pérdidas, remodelando así el mercado de motor tradicional.

En los últimos años, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas, el rendimiento y el proceso de los materiales electromagnéticos, especialmente los materiales electromagnéticos de tierras raras, se han mejorado gradualmente, junto con el rápido desarrollo de la electrónica de energía y la tecnología de transmisión de potencia, la tecnología de control automático, el rendimiento del motor sincronés de magnet permanente está mejorando y mejor.

Además, el motor sincrónico del imán permanente tiene las ventajas de peso ligero, estructura simple, tamaño pequeño, buenas características y alta densidad de potencia. Muchas instituciones y empresas de investigación científica están llevando a cabo activamente la investigación y el desarrollo del motor sincrónico de imán permanente, y su campo de aplicación se ampliará aún más.

Estado de desarrollo e investigación

1. La base de desarrollo del motor sincrónico de imán permanente

① Aplicación de materiales de magnet permanente de alto rendimiento de tierras raras

Los materiales de imán permanentes de tierras raras han evolucionado a través de tres etapas de desarrollo: SMCO5, SM2CO17 y ND2FE14B. Hoy, los imanes de boro de hierro neodimio (NDFEB) se destacan como el tipo más utilizado debido a su rendimiento magnético superior. El avance de los imanes permanentes ha impulsado un progreso significativo en los motores de imán permanente. A diferencia de los motores tradicionales de inducción trifásicos excitados eléctricamente, estos motores eliminan la necesidad de postes excitados eléctricamente, simplifican el diseño estructural y eliminan los anillos y cepillos de deslizamiento del rotor. Esta innovación permite una operación sin escobillas, reduce el tamaño del rotor, mejora la densidad de potencia y la densidad de par, mejora la eficiencia energética y permite que los motores sean más compactos y livianos. Estos avances han ampliado su alcance de aplicación y aceleraron el desarrollo de motores eléctricos de mayor potencia.

② Aplicación de la nueva teoría de control

En los últimos años, los algoritmos de control han visto un rápido desarrollo. Entre ellos, los algoritmos de control de vectores han resuelto fundamentalmente los problemas de estrategia de unidad para los motores de CA, lo que les permite lograr un excelente rendimiento de control. La aparición del control de torque directo ha simplificado la estructura de control al tiempo que demuestra una fuerte adaptabilidad a las variaciones de parámetros y una respuesta rápida de torque dinámico. La tecnología de control de torque indirecto aborda el problema de la pulsación significativa de torque a bajas velocidades en el control de torque directo, mejorando así tanto la velocidad del motor como la precisión de control.

③ Aplicaciones de productos electrónicos y procesadores de alto rendimiento

La electrónica de potencia moderna sirve como una interfaz vital entre la industria de la información y los sectores tradicionales, actuando como un puente entre los sistemas de bajo voltaje y las aplicaciones controladas de alto voltaje. El avance de Power Electronics ha permitido la implementación de estrategias de control de la unidad. Por ejemplo, la década de 1970 fue testigo de la aparición de convertidores de frecuencia universales que podrían transformar las fuentes de alimentación de frecuencia industrial en fuentes de energía de frecuencia ajustables continuamente, creando así condiciones para la conversión de frecuencia de CA y la regulación de la velocidad. Estos convertidores de frecuencia cuentan con capacidades de arranque suave después de la configuración de frecuencia, lo que permite la aceleración gradual de cero a la frecuencia objetivo a una velocidad predeterminada. La tasa de aceleración se puede ajustar continuamente en un amplio rango, resolviendo efectivamente los desafíos de inicio de los motores sincrónicos.

2. Estado de desarrollo del motor sincrónico de imán permanente en el hogar y en el extranjero

El primer motor de la historia fue el motor imán permanente. En ese momento, el rendimiento de los materiales de imán permanentes era relativamente pobre, y la coercitividad y la remanencia de imanes permanentes eran demasiado bajos, por lo que pronto fue reemplazado por el motor excitado eléctricamente.

En la década de 1970, los materiales de imán permanentes de tierra rara como el boro de hierro neodimio (NDFEB) ganaron prominencia debido a su coercitividad excepcional, remanencia, capacidad de desmagnetización fuerte y productos de alta energía magnética. Estas propiedades impulsaron motores sincrónicos de imán permanentes de alta potencia a la etapa histórica. Hoy, la investigación sobre motores sincrónicos de imán permanente ha madurado significativamente, avanzando hacia velocidades más altas, mayor par, mayor potencia de salida, mejor eficiencia, así como miniaturización y desarrollo inteligente.

En los últimos años, han surgido motores sincrónicos de magnet permanente de alta gama en la industria. Un ejemplo notable es el motor de seis fases de 230R/min/1095kW desarrollado por Siemens de Alemania en 1986. Cuando se usa para alimentar los vasos navales, este diseño avanzado reduce el tamaño del motor en casi un 60% en comparación con los motores de CC tradicionales mientras reduce las pérdidas de energía en aproximadamente un 20%. Además, Swiss Company ABB ha construido motores sincrónicos de imán permanentes para la propulsión del barco con una capacidad máxima instalada de 38MW.

La investigación sobre el motor magnético permanente comenzó tarde en China, pero con la fuerte inversión de académicos nacionales y el gobierno, se ha desarrollado rápidamente. En la actualidad, China ha desarrollado y producido un generador de viento magnet permanente de alta velocidad de 3MW, y CRRC Zhuzhou Company también está desarrollando un motor imán permanente más potente.

Con el desarrollo de la tecnología de microcomputador y la tecnología de control automático, los motores sincrónicos de imán permanente se han utilizado ampliamente en varios campos. Ahora, debido al progreso social, los requisitos de las personas para los motores sincrónicos de imán permanente se han vuelto más exigentes, lo que lleva al desarrollo de motores magnéticos permanentes a tener un rango de regulación de velocidad más grande y un mayor control de precisión.

Debido a la mejora de la tecnología de producción, se han desarrollado más materiales de imán permanentes de alto rendimiento. Esto hace que su costo se reduzca considerablemente y se aplique gradualmente en varios campos de la vida.

 Tecnología actual

1. Tecnología de diseño de motor síncrono del imán permanente

En comparación con los motores convencionales excitados eléctricamente, los motores sincrónicos de imán permanentes eliminan la necesidad de devanados de excitación, anillos de colección y gabinetes de excitación. Este diseño no solo mejora significativamente la estabilidad y la confiabilidad, sino que también logra mejoras sustanciales de eficiencia. En particular, los motores magnéticos permanentes incorporados demuestran ventajas como alta eficiencia, factor de potencia superior, alta densidad de potencia por unidad, capacidad de aceleración de velocidad de bajo voltaje fuerte y respuesta dinámica rápida, haciéndolas decisiones ideales para aplicaciones de accionamiento. Sin embargo, los imanes permanentes proporcionan todo el campo magnético de excitación, lo que aumenta el par de engranajes y, en consecuencia, provoca vibración y ruido del motor durante la operación. El par excesivo de engranaje puede comprometer tanto el rendimiento de baja velocidad de los sistemas de control de velocidad como las capacidades de posicionamiento de alta precisión de los sistemas de control de posición. Por lo tanto, el diseño del motor debe priorizar los componentes de optimización para minimizar el par de engranajes.

La investigación indica que los métodos comunes para reducir el par de la ranura del diente incluyen modificar los coeficientes de arco de polo, reducir el ancho de la ranura del estator, implementar ranuras inclinadas y coordinación de la ranura del polo, así como ajustar las posiciones de los polos magnéticos, las dimensiones y las formas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que estas medidas pueden afectar negativamente otras características del rendimiento del motor, como el par electromagnético potencialmente decreciente. Por lo tanto, durante el diseño, los ingenieros deben esforzarse por equilibrar todos los factores para lograr un rendimiento del motor óptimo.

2.Tecnología de simulación de motor síncrono de imán permanente

La presencia de imanes permanentes en motores de imanes permanentes presenta desafíos para los diseñadores al calcular parámetros, como la permeabilidad de fuga sin carga y el coeficiente de arco de polo. El software de análisis de elementos finitos se emplea comúnmente para optimizar estos parámetros del motor. Este software permite cálculos de parámetros altamente precisos, y su aplicación para analizar cómo los parámetros del motor afectan el rendimiento produce resultados confiables.

Los métodos de cálculo de elementos finitos proporcionan un enfoque más conveniente, eficiente y preciso para analizar campos electromagnéticos en motores. Como un método numérico desarrollado a partir del método de diferencia finita, se ha adoptado ampliamente en disciplinas científicas e ingeniería. El proceso implica discretizar matemáticamente los dominios de la solución continua en elementos discretos, seguido de una interpolación por partes dentro de cada elemento para formar funciones de interpolación lineal (es decir, funciones de aproximación). A través del análisis de simulación de elementos finitos, podemos observar visualmente los patrones de línea de flujo magnético y la distribución de densidad de flujo dentro de los interiores del motor.

3. Tecnología de control de motor sincrónico de imán permanente

Mejorar el rendimiento del sistema de accionamiento motor es igualmente crucial para el desarrollo de control industrial. Esta tecnología optimiza el rendimiento del sistema a través de sus características fundamentales: entrega de alto torque durante la aceleración rápida y la aceleración estacionaria en condiciones de baja velocidad, al tiempo que permite una regulación de velocidad de potencia constante de amplio alcance a altas velocidades. La Tabla 1 proporciona una comparación de las métricas clave del rendimiento del motor.

Los motores magnéticos permanentes demuestran una confiabilidad excepcional, un rango de regulación de velocidad amplia y alta eficiencia. Cuando se combina con los métodos de control apropiados, todo el sistema motor puede lograr un rendimiento óptimo. Por lo tanto, seleccionar algoritmos de control adecuados para una regulación de velocidad eficiente permite que el sistema de accionamiento del motor funcione de manera efectiva a través de un amplio rango de velocidad y zonas de potencia constantes. Los métodos de control de vectores se adoptan ampliamente en los algoritmos de regulación de velocidad del motor del imán permanente debido a sus ventajas que incluyen un amplio rango de control de velocidad, alta eficiencia, confiabilidad, estabilidad y rentabilidad. Estos métodos se utilizan ampliamente en unidades de motor, sistemas de tránsito ferroviario y servo aplicaciones de máquinas herramienta. Diferentes escenarios de aplicación requieren estrategias de control de vectores actuales correspondientes.

Características y clasificaciones

1.Características del motor síncrono del imán permanente

Los motores sincrónicos de imán permanente cuentan con una estructura simple, baja pérdida de energía y alto factor de potencia. A diferencia de los motores excitados eléctricamente que requieren cepillos y conmutadores, eliminan la necesidad de corrientes de excitación reactiva. Este diseño reduce la corriente del estator y las pérdidas de resistencia, lo que resulta en una mayor eficiencia, un mayor par de excitación y un rendimiento de control superior. Sin embargo, enfrentan desafíos como altos costos y mecanismos iniciales difíciles. Con los avances en las tecnologías de control de motores, los sistemas de control de vectores verticularmente, los motores sincrónicos de imán permanentes ahora permiten una regulación de velocidad de gran alcance, respuesta dinámica rápida y control de posicionamiento de alta precisión. Estas capacidades están impulsando el aumento de los esfuerzos de investigación en varios campos.

2. Clasificación de motores sincrónicos de imán permanente

① Según la división diferente de la formación de forma de onda del campo magnético del rotor

Debido a las diferentes formas de los imanes del rotor en motores sincrónicos de imanes permanentes, las formas de onda formadas por la distribución espacial del campo magnético del rotor también varían. Convencionalmente, se dividen en dos tipos: sistemas de control de velocidad del motor del imán permanente sinusoidal (donde el rotor genera una fuerza electromotriz de espalda sinusoidal en el estator) y motores de CC sin escobillas (BLDCM), donde el rotor produce una fuerza electromotiva posterior trapezoidal en el estator.

② De acuerdo con la estructura espacial diferente de los imanes permanentes en el rotor

Los motores síncronos de imán permanentes se clasifican en tipos montados en la superficie y incorporados en función de la disposición espacial de los imanes permanentes en el rotor. Los modelos montados en la superficie cuentan con imanes en forma de mosaico que se adhieren firmemente a la superficie externa del núcleo del rotor. Una característica clave de estos motores es que los valores de inductancia para las configuraciones de eje directo y del eje alterno siguen siendo idénticos.

En los motores de imanes permanentes incorporados, los imanes permanentes se alojan dentro del núcleo del rotor. Entre la superficie externa de estos imanes y la circunferencia interna del núcleo del estator, hay zapatos de polo hechos de material ferromagnético. Estas zapatillas de polos sirven para concentrar el flujo magnético, mejorando así la densidad magnética de la brecha de aire y mejorando la forma de onda del campo magnético de la brecha de aire sin carga. Una característica clave de este tipo de motor magnético permanente es su configuración asimétrica entre el eje directo y los circuitos magnéticos del eje alterno.

El rendimiento de estos dos motores es diferente. En comparación con el motor magnético permanente de la superficie, el motor imán permanente incorporado tiene las ventajas de la capacidad de expansión de la velocidad magnética débil, la respuesta dinámica rápida y el par de engranajes pequeños.

Tendencia de desarrollo del motor síncrono del imán permanente

1. Motor de CC sin escobillas de imán (BLDCM) Permanente

Desde la década de 1980, las tecnologías de control, particularmente las estrategias de teoría de control, han visto un rápido desarrollo. Los enfoques avanzados como el control del modo deslizante y el control de la estructura variable ahora se están integrando en los controladores para motores permanentes sin escobillas. Este avance ha allanado el camino para que los sistemas de alto rendimiento evolucionen hacia soluciones inteligentes, flexibles y totalmente digitalizadas. A medida que el nivel de vida continúa aumentando y la conciencia de protección del medio ambiente crece, la adopción de sistemas motoros de alto rendimiento se ha convertido en una tendencia inevitable en la industria del motor. También se espera que estos sistemas vean aplicaciones más amplias en sectores de motores pequeños, como vehículos eléctricos y electrodomésticos en los próximos años.

2. Tendencia de desarrollo de PMSM

El sistema de servo PMSM se desarrollará en dos direcciones debido a su propia tecnología y campo de aplicación:

① Servos de servicio simple y de bajo costo en los campos de equipos de automatización de oficina, máquinas herramientas CNC simples, equipos periféricos informáticos, electrodomésticos y control de movimiento industrial con requisitos de rendimiento de bajo rendimiento;

② Máquinas CNC de alta precisión, robots, accionamiento de alimentación de precisión para equipos de procesamiento especiales, así como sistemas de servo de alto rendimiento totalmente digitales, inteligentes y flexibles para aviación y aeroespacial. Este último puede reflejar mejor las ventajas de los servomotores y será la dirección principal del desarrollo futuro.

Clasificación de métodos de diseño para motores sincrónicos de imán permanente

1. Método de circuito magnético:
El campo magnético alterno no uniforme en un motor puede modelarse de manera equivalente como un circuito magnético correspondiente, transformando los cálculos del campo magnético en los cálculos del circuito magnético. Sin embargo, dado que el cálculo equivalente del circuito magnético emplea numerosos coeficientes de corrección, sus valores exactos no pueden determinarse teóricamente. Por lo tanto, los datos empíricos se usan típicamente. Si el diseño preliminar no cumple con los requisitos, los diseñadores deben recalibrar los valores de corrección y recalcular los resultados.

2. Método de elementos finitos:
Para garantizar cálculos precisos, el análisis de campo electromagnético es esencial, incluidos factores como la configuración de polo magnético permanente y la desmagnetización local. La utilización del software de análisis de elementos finitos para el cálculo numérico ha reducido significativamente los costos de desarrollo de productos al tiempo que proporciona datos precisos para la optimización del motor. Los avances en la potencia informática han permitido la evolución de varios métodos analíticos en el cálculo numérico del campo electromagnético. El método de elementos finitos esencialmente transforma los problemas en sistemas estructuralmente solucionables, idealizando sistemas continuos con grados infinitos de libertad en conjuntos finitos de células unitarias. Actualmente, ANSYS se erige como el software de simulación de elementos finitos más utilizado, capaz de realizar simulaciones conjuntas integrales para sistemas de motor enteros.

3. Método de combinación de carretera de campo:

Si bien el método del circuito magnético ofrece una rápida velocidad de cálculo, carece de precisión. Aunque los métodos basados en computadora proporcionan una alta precisión, son computacionalmente intensivas y requieren hardware avanzado. Al integrar el análisis de elementos finitos con las técnicas tradicionales de circuito magnético en los cálculos numéricos del motor electromagnético, podemos mejorar tanto la eficiencia computacional como la precisión, un enfoque práctico con un valor significativo para el diseño de parámetros del motor. La metodología de integración de circuito de campo sigue un proceso de tres pasos: primero, los modelos geométricos se establecen preliminarmente utilizando cálculos de circuito magnético. Posteriormente, el análisis de elementos finitos se aplica para determinar con precisión los coeficientes que requieren corrección en el método de circuito magnético equivalente.