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Motori PM, comunemente indicati come motori a magneti permanenti, svolgono un ruolo importante nelle applicazioni industriali. Al contrario, nei motori a induzione (IM), i motori PM incorporano dei magneti al loro interno. Attaccato al rotore per produrre un campo durante il funzionamento. Lo scopo di questo articolo è fornire una comprensione dei concetti, dei principi e degli elementi essenziali associati ai motori PM.
La differenza fondamentale tra i motori PM e i motori a induzione risiede nel modo in cui viene generato il campo magnetico. I motori a induzione si affidano a un campo rotante prodotto dagli avvolgimenti dello statore per indurre correnti nel rotore, che poi interagisce con il campo dello statore per generare forza motrice. Una caratteristica notevole dei motori a induzione è che è necessaria una differenza di velocità tra il rotore e il campo magnetico per indurre corrente, rendendoli adatti all'uso in combinazione con azionamenti a frequenza variabile (VFD), per il controllo della velocità.
I motori a magneti (PM) generano campi, con magneti, all'interno del rotore eliminando la necessità di collegare il flusso attraverso il campo dello statore. Questa configurazione migliora l'efficienza nelle applicazioni che richiedono il controllo della velocità. I motori a magneti permanenti sono classificati come motori a magneti permanenti di superficie (SPM) e motori a magneti permanenti interni (IPM) a seconda del posizionamento dei magneti. Questi tipi differiscono in termini di durata, potenza magnetica e caratteristiche elettromagnetiche.
Per comprendere il funzionamento dei motori PM è importante comprendere i concetti relativi al flusso concatenato e ai campi magnetici.
Quando una corrente scorre attraverso un conduttore genera un campo. Il flusso è la misura del movimento di una caratteristica, su un'area. Nei motori il flusso indica la rapidità con cui il campo magnetico si espande attraverso la superficie dei fili.
Quando un campo magnetico interagisce con un materiale, come se passasse attraverso una bobina, si verifica un collegamento di flusso. Questo viene calcolato in base al numero di spire dell'avvolgimento e al flusso magnetico spesso rappresentato dal simbolo ϕ per indicare il valore del flusso, nel tempo. L'equazione utilizzata per calcolare il flusso concatenato è λ = N × ϕ, dove λ rappresenta il flusso concatenato, N indica il numero di giri e ϕ indica il flusso.
Il campo magnetico illustra come il magnetismo si muove all'interno dello spazio di un conduttore. Nei motori a magneti i magneti sono posizionati su. Apposto sulla superficie dei rotori per generare il campo.
Quando si discutono le caratteristiche dei motori PM è importante tenere conto dei concetti di induttanza ed EMF.
Induttanza (L): l'induttanza è definita come la costante di proporzionalità della tensione indotta al variare della corrente. In altre parole, l'induttanza è il collegamento del flusso per unità di corrente. È una proprietà geometrica legata al percorso della corrente e si misura in Henry (H). Nei motori PM, l'induttanza può essere divisa in induttanza dell'asse D e induttanza dell'asse Q in base alla posizione del rotore e dei poli magnetici.
Back EMF: Back EMF si riferisce alla tensione indotta negli avvolgimenti dello statore a causa del movimento relativo tra il campo magnetico del rotore e gli avvolgimenti dello statore durante la rotazione del motore. Nei motori PM, il campo magnetico del rotore è generato da magneti permanenti, quindi finché il rotore è in movimento, la tensione verrà indotta negli avvolgimenti dello statore. La forza controelettromotrice aumenta linearmente con la velocità del motore ed è un fattore chiave nel determinare la velocità operativa massima del motore.
Gli assi d e q sono due assi chiave utilizzati per descrivere le caratteristiche elettromagnetiche dei motori PM.
Asse d (asse diretto): è allineato con la direzione del flusso principale del motore. L'induttanza dell'asse D corrisponde al valore dell'induttanza quando il flusso passa attraverso il polo magnetico.
Asse q (asse di quadratura): è allineato con la direzione principale di generazione della coppia del motore. L'induttanza dell'asse q corrisponde al valore di induttanza quando il flusso scorre tra i poli magnetici.
Per i motori PM a magnete interno, i valori di induttanza dell'asse D e dell'asse Q differiscono perché la presenza di magneti riduce il materiale del nucleo lungo l'asse D, influenzando l'induttanza. Al contrario, i motori PM di superficie hanno valori di induttanza degli assi d e q quasi identici, poiché i magneti si trovano all'esterno del rotore e non influenzano la connessione del campo magnetico dello statore al nucleo.
La salienza magnetica descrive la variazione dell'induttanza degli assi d e q in diverse posizioni del rotore. Questa caratteristica è fondamentale per la progettazione e l'ottimizzazione dei motori PM. Generalmente, la salienza magnetica raggiunge il suo picco ad un angolo elettrico di 90 gradi, dove la differenza tra l'induttanza dell'asse q e dell'asse d è maggiore.
La coppia magnetica e la coppia di riluttanza sono i due componenti principali della coppia prodotta dai motori PM. La coppia magnetica è generata dall'interazione tra il flusso magnetico del rotore e la corrente dell'avvolgimento dello statore, mentre la coppia di riluttanza deriva dall'allineamento dell'asse del rotore con il campo del flusso dello statore. La combinazione di questi due determina la coppia di uscita del motore.
Nei motori PM, i valori di induttanza degli assi d e q diminuiscono all'aumentare della corrente di carico. Questo fenomeno è dovuto alla saturazione magnetica del materiale del nucleo. Quando il flusso raggiunge un certo livello, l'induttanza del nucleo non aumenterà più e potrebbe addirittura diminuire.
L'indebolimento del flusso è un metodo per ridurre il campo del flusso per abbassare la forza elettromotrice posteriore, consentendo al motore di funzionare a velocità più elevate. Questa operazione richiede in genere una corrente motore aggiuntiva e, regolando la direzione della corrente sull'asse D, il motore può passare dal rafforzamento o dall'indebolimento del flusso per soddisfare le diverse esigenze operative.
I motori PM possono essere classificati in tipi a magnete interno e a magnete di superficie in base alla loro struttura. Ogni tipo strutturale ha i suoi pro e contro e la scelta progettuale specifica spesso dipende dai requisiti dell'applicazione. Ad esempio, i motori a magneti interni, con magneti incorporati all’interno del rotore, hanno una maggiore resistenza meccanica e sono adatti per il funzionamento ad alta velocità, mentre i motori a magneti superficiali sono più facili da produrre e hanno costi inferiori.
I materiali magnetici utilizzati nei motori PM influiscono direttamente sulle prestazioni del motore. I materiali magnetici permanenti comunemente usati includono neodimio ferro boro (NdFeB) e samario cobalto (SmCo), che presentano caratteristiche diverse in termini di prestazioni magnetiche e resistenza alle alte temperature. Pertanto, la selezione del materiale magnetico appropriato è fondamentale nella progettazione del motore, a seconda dello scenario applicativo specifico.
Con il progresso della tecnologia di azionamento, i moderni azionamenti in c.a. possono ottenere il controllo automatico e ad anello chiuso. Rilevando e monitorando la posizione dei poli del motore, l'azionamento può ottimizzare la coppia erogata e l'efficienza del motore. Questo metodo di controllo è ampiamente utilizzato nei servomotori, soprattutto in applicazioni che richiedono un controllo preciso della posizione e una risposta ad alta velocità.
I servomotori spesso adottano un design PM interno e sono abbinati ad amplificatori specifici. Questa combinazione, ottimizzata e messa a punto dal produttore, garantisce prestazioni operative ottimali. Nelle applicazioni pratiche, i servomotori sono comunemente utilizzati nelle macchine CNC, nella robotica e nelle apparecchiature di automazione.
Sebbene conosciuti come “magneti permanenti”, questi materiali non sono veramente permanenti. Il loro magnetismo può indebolirsi o cedere a causa di cambiamenti nelle condizioni esterne, come stress meccanico, alta temperatura o forte interferenza elettromagnetica.
Stress meccanico: i magneti permanenti possono perdere il loro magnetismo a causa di cambiamenti strutturali interni se sottoposti a forti urti o cadute.
L'effetto della temperatura sui materiali è che ognuno di essi ha una temperatura chiamata "temperatura di Curie", alla quale smette di essere magnetico.
Le proprietà magnetiche dei magneti possono essere influenzate da interferenze che potrebbero portare alla perdita del loro magnetismo.
Pertanto è fondamentale considerare questi aspetti della smagnetizzazione e incorporare strategie durante lo sviluppo e l’utilizzo dei motori PM.
X.Enneng：Avanzamento dello sviluppo di motori a magneti permanenti ad alta efficienza
Enneng, una società denominata ENPMSM opera come fornitore di motori magnetici con sede a Qingdao, Cina. Sono specializzati nella produzione di tipi di motori magnetici, inclusi modelli standard, generali e personalizzati che offrono opzioni sia di azionamento che senza ingranaggi. Questi motori sono utilizzati in una vasta gamma di settori quali centrali elettriche, metallurgia, prodotti chimici, miniere e giacimenti petroliferi. Enneng è noto per la sua attenzione all'innovazione e ospita un team di ricerca e sviluppo che ha ottenuto brevetti tecnici. Il loro impegno per il progresso li ha portati a essere riconosciuti come una delle “cento imprese innovative” di Qingdao.
I motori PM sono riconosciuti per la loro efficacia e precisione che li rendono molto ricercati nelle applicazioni di consumo. Comprendere i principi e i concetti di questi motori è fondamentale, per valorizzare il design e garantire le prestazioni. Con l’avanzare della tecnologia, si prevede che l’utilizzo dei motori PM si espanderà, contribuendo in modo significativo ai sistemi di alimentazione.
