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Motori PM hanno, oggigiorno, raggiunto anche il settore industriale. A differenza dei motori a induzione, nei motori PM, il rotore ha magneti attaccati che creano il campo quando il funzionamento viene avviato. Questo documento fornisce informazioni sui concetti, i principi e i componenti chiave che coinvolgono i motori PM.
La differenza più fondamentale tra i motori PM e i motori a induzione riguarda il metodo di creazione del campo magnetico. I motori a induzione utilizzano un campo rotante indotto negli avvolgimenti dello statore per indurre correnti all'interno del rotore, che poi interagiscono con il campo dello statore per creare una forza motrice. Una delle caratteristiche peculiari dei motori a induzione è che deve essere presente una differenza di velocità tra il rotore e il campo magnetico per indurre la corrente. Per questo motivo, funzionano bene se accoppiati a azionamenti a frequenza variabile per ottenere una variazione di velocità.
I motori magnetici, detti anche motori PM, creano campi con l'aiuto dei magneti nel rotore e quindi non richiedono alcun campo statorico per collegare il flusso. Questo design naturalmente adattato si presta a una maggiore efficienza nelle applicazioni che richiedono variazione di velocità. In base al posizionamento del magnete, ci sono due forme principali di motori a magneti permanenti: motori a magneti permanenti di superficie e motori a magneti permanenti interni. La durata, la potenza magnetica e le caratteristiche elettromagnetiche dei motori variano a seconda del tipo.
Per comprendere il funzionamento dei motori PM, è necessario comprendere alcuni importanti concetti correlati al flusso, al collegamento del flusso e ai campi magnetici.
Un campo si crea quando una corrente passa attraverso un conduttore. Il flusso è una misura della velocità di trasferimento di una caratteristica attraverso un'area. Per i motori, il flusso è la velocità con cui il campo magnetico si diffonde attraverso l'area superficiale dei fili.
Il collegamento di flusso è un'interazione di un campo magnetico con un materiale, come il passaggio attraverso una bobina. Dipende dal numero di spire nell'avvolgimento e dal flusso magnetico, che è spesso rappresentato dal simbolo ϕ che mostra il valore del flusso nel tempo. La formula per trovare il collegamento di flusso è λ = N × ϕ, dove λ è il collegamento di flusso, N è il numero di spire e ϕ è il flusso.
Diagramma del campo magnetico che mostra come il magnetismo si muove nello spazio di un conduttore. Nei motori a magnete, i magneti sono posizionati attaccati alla superficie del rotore per creare il campo.
Quando si discutono le caratteristiche dei motori PM, è importante prendere in considerazione i concetti di induttanza e fem.
Induttanza, L: è la costante di proporzionalità della tensione indotta relativa alle variazioni di corrente. In altre parole, l'induttanza è il collegamento di flusso per unità di corrente. È correlata alle proprietà geometriche: il percorso della corrente, ed è misurata in Henry (H). L'induttanza nei motori PM può essere differenziata in induttanza sull'asse d e induttanza sull'asse q in base alla posizione del rotore e dei poli magnetici.
Back EMF: la tensione è indotta all'interno degli avvolgimenti dello statore a causa del movimento relativo tra il campo magnetico del rotore e gli avvolgimenti dello statore durante la rotazione del motore. Nel caso dei motori PM, il campo magnetico proviene da magneti permanenti sul rotore; quindi, le tensioni saranno indotte negli avvolgimenti dello statore finché il rotore è in movimento. Ciò causa una back EMF che aumenta linearmente con l'aumento della velocità del motore, diventando così un fattore chiave nel determinare la velocità massima di funzionamento del motore.
Per la descrizione delle caratteristiche elettromagnetiche dei motori PM vengono impiegati due assi importanti.
Asse D (asse diretto): si trova lungo la direzione del flusso principale del motore. L'induttanza dell'asse D corrisponderà al valore di induttanza quando il flusso scorre attraverso il polo magnetico.
Asse Q (asse di quadratura): corrisponde alla direzione principale di generazione della coppia del motore. L'induttanza dell'asse Q corrisponderà 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 sono diversi perché la presenza di magneti riduce il materiale del nucleo lungo l'asse d, riducendo quindi l'induttanza. Per i motori PM di superficie, i valori di induttanza dell'asse d e dell'asse q sono quasi identici poiché i magneti sono all'esterno del rotore e non influenzano la connessione del campo magnetico dello statore al nucleo.
La salienza magnetica è una misura della variazione relativa dell'induttanza dell'asse d e dell'asse q in relazione alla posizione del rotore. Una delle considerazioni di progettazione più importanti per i motori PM è la salienza magnetica. Nella maggior parte dei casi, è massima a un angolo elettrico di 90 gradi, dove la differenza tra l'induttanza dell'asse q e dell'asse d è maggiore.
Le due componenti principali della coppia sviluppata nei motori PM sono la coppia magnetica e la coppia di riluttanza. La coppia magnetica è dovuta all'interazione tra il flusso magnetico del rotore e la corrente dell'avvolgimento dello statore. La coppia di riluttanza ha origine nella preferenza dell'asse del rotore di allinearsi lungo il campo di flusso dello statore. La coppia di uscita effettiva del motore sarà decisa da entrambi.
Le differenze più basilari nei motori PM risiedono nel fatto che con l'aumento della corrente di carico, i valori di induttanza degli assi d e q si riducono a causa della saturazione magnetica nel materiale del nucleo. Oltre una certa entità di flusso, l'induttanza del nucleo non aumenta ulteriormente e può anche essere ridotta.
L'indebolimento del flusso è una tecnica che riduce il campo di flusso per diminuire la fem posteriore e consentire velocità più elevate. In genere, questa operazione richiede corrente extra nel motore e, cambiando la direzione della corrente nell'asse d, il motore può indebolire o rafforzare il flusso in base alle esigenze operative.
I motori PM possono essere suddivisi in tipi strutturali: motori a magneti interni e motori a magneti di superficie. Ogni tipo strutturale di motore PM ha vantaggi e svantaggi relativi, la scelta spesso è relativa all'applicazione. Ad esempio, in tali applicazioni in cui è richiesta un'elevata resistenza meccanica ad alte velocità, l'ideale sarà il design con i magneti incorporati all'interno del rotore, mentre i motori a magneti di superficie sono più facili da distinguere e comportano costi inferiori.
Le prestazioni dei motori PM dipendono in larga misura dai materiali magnetici. I materiali magnetici permanenti generalmente utilizzati nei motori PM come il neodimio ferro boro (NdFeB) e il samario cobalto (SmCo) hanno caratteristiche diverse: le prestazioni magnetiche e la resistenza alle alte temperature variano. A questo proposito, la selezione del materiale magnetico è profondamente correlata allo scenario applicativo e quindi dovrebbe essere scelta in modo appropriato durante il processo di progettazione del motore.
Con lo sviluppo avanzato nel campo delle tecnologie di azionamento, i moderni azionamenti CA a velocità variabile sono anche in grado di auto-rilevare e persino di controllare a circuito chiuso rilevando o tracciando la posizione dei poli del motore per massimizzare la coppia di uscita e ottimizzare l'efficienza. Questo schema di controllo trova molte applicazioni nei servomotori applicati in applicazioni di controllo della posizione, che richiedono sia elevata precisione che rapide risposte di velocità.
I servomotori hanno spesso un design a magnete permanente interno e sono accoppiati a un amplificatore specifico. I due insieme, ottimizzati e messi a punto dal produttore, sono progettati per funzionare in modo ottimale. Nelle applicazioni pratiche, i servomotori hanno spesso visto le loro implementazioni in macchine CNC, robotica e apparecchiature di automazione.
Sebbene questi materiali siano chiamati "magneti permanenti", il nome non è permanente nel vero senso della parola. In caso di cambiamenti nelle condizioni esterne, ad esempio, stress meccanico, alte temperature o forti interferenze elettromagnetiche, il loro magnetismo potrebbe indebolirsi o venir meno.
Stress meccanico: i magneti permanenti possono perdere il loro magnetismo a causa di cambiamenti strutturali interni se sottoposti a forti urti o cadute.
L'influenza della temperatura sui materiali è dovuta al fatto che ognuno di essi ha una temperatura, la cosiddetta "temperatura di Curie", alla quale non è più magnetico.
Le proprietà magnetiche dei magneti potrebbero subire interferenze e causare la perdita di magnetismo.
È quindi essenziale 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 era un produttore di motori magnetici, un'azienda ufficialmente nota come Qingdao Enneng Magnet Motor Co., Ltd. Si trova nella regione di Qingdao in Cina. I tipi di produzione includono tipi standard, comuni e personalizzati come senza ingranaggi e azionati. I motori realizzati presso ENPMSM soddisfano le esigenze delle industrie nelle centrali elettriche, metallurgiche, nei settori chimici, nelle miniere e nei campi petroliferi. Enneng è nota per la sua enfasi sull'innovazione, ospitando un team di ricerca e sviluppo con brevetti tecnici acquisiti. Il suo impegno per il progresso l'ha resa riconosciuta come una delle eccezionali "Cento imprese innovative" di Qingdao.
I motori PM sono molto efficienti e precisi; pertanto, la loro richiesta nelle applicazioni consumer è elevata. Comprendere i principi e i concetti di questi motori è importante per una migliore progettazione e garanzia delle prestazioni. Con l'evoluzione della tecnologia, le applicazioni dei motori PM troveranno applicazioni più ampie e contribuiranno in modo significativo ai sistemi di alimentazione.
