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Grazie alle sue applicazioni di controllo molto efficaci e precise e all'efficienza, Motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono diventati indispensabili per le industrie. Il principio basilare e molto semplice alla base del modo in cui interagiscono i campi magnetici e le correnti elettriche è la forza di Lorentz. Il modo in cui le forze di Lorentz entrano in gioco in relazione ai PMSM fornirà importanti conoscenze per entrambi ottimizzare le prestazioni del motore e ottenere soluzioni di risparmio energetico. . Questo articolo delinea i fondamenti della forza di Lorentz, il funzionamento dei PMSM e una comprensione più approfondita delle sue implicazioni da una prospettiva relazionale.
Fondamenti della forza di Lorentz
La forza di Lorentz è una delle concezioni di base dell'elettromagnetismo; prende in considerazione l'interazione dei campi magnetici con le correnti elettriche. Questo fenomeno è stato descritto dal fisico olandese Hendrik Lorentz alla fine del XIX secolo e porta il suo nome.
La forza di Lorentz costituisce la base per la forza che agisce sulle particelle cariche che si muovono in un campo magnetico. Questa agisce in modo direttamente proporzionale alla forza del campo magnetico, alla carica sulla particella e alla velocità della particella. Dalla regola della mano destra, la direzione di questa forza è ad angolo retto sia rispetto al campo magnetico che alla direzione della velocità della particella.
Il principale contributo al movimento e alla coppia in PMSM è dovuto alla forza di Lorentz. PMSM è costituito da uno statore con bobine e un rotore con magneti permanenti. Quando la corrente passa attraverso le bobine dello statore, il campo magnetico prodotto interagisce con il campo magnetico dei magneti del rotore e sviluppa una forza che fa ruotare il rotore.
Per comprendere come la forza di Lorentz influenza il funzionamento di un motore sincrono a magnete permanente, comprendiamo prima i principi alla base della generazione di forze elettromagnetiche. Il principio alla base della generazione di forze elettromagnetiche è fondamentalmente l'interazione tra campi magnetici e correnti elettriche. Ogni volta che una corrente elettrica passa attraverso un conduttore, ad esempio un filo, viene prodotto un campo magnetico. Tuttavia, ogni volta che un conduttore passa attraverso il campo magnetico, viene indotta una corrente.
Le due leggi fondamentali della teoria dell'elettromagnetismo che regolano le relazioni tra campi magnetici e correnti elettriche sono: la legge di Ampère e la legge di Faraday. Secondo la legge di Ampère, il campo magnetico dovuto a una corrente elettrica è direttamente proporzionale all'entità della corrente e inversamente proporzionale alla distanza dal conduttore. La legge di Faraday afferma che una variazione del flusso associata a un conduttore induce una corrente nello stesso conduttore. Nel complesso, questo insieme di leggi descrive le basi di come potrebbe esserci una forza elettromagnetica per il funzionamento del PMSM. Nel PMSM, le bobine dello statore utilizzano una sorta di schema di disposizione nel suo avvolgimento attorno al rotore con un campo magnetico rotante e quindi interagiscono con il campo magnetico del rotore fermo. Questo campo genera coppia sul rotore per la rotazione, dando luogo a una trasmissione rotazionale per il suo albero di uscita.
L'entità della forza di Lorentz generata nel motore è definita dall'entità del campo magnetico e dalla corrente nella bobina dello statore. Anche la geometria e la disposizione delle bobine dello statore sono importanti per definire le prestazioni del motore. Ad esempio, il numero di poli sullo statore e sul rotore influenza la forma della curva velocità/coppia del motore. Analogamente, l'utilizzo di vari tipi di magneti permanenti influisce sui livelli di flusso magnetico e quindi sull'efficienza complessiva del motore.
Principi di funzionamento del PMSM
PMSM è un tipo di macchina elettrica che trova applicazioni che spaziano dai macchinari industriali ai veicoli completamente elettrici. Diventano inoltre importanti in molti settori grazie alla loro elevata efficienza, al controllo preciso e alle dimensioni compatte. Comprendere come funziona un PMSM è fondamentale per sfruttarne efficacemente tutte le capacità.
Nel PMSM, le parti dello statore e del rotore interagiscono tra loro. Lo statore è costituito da molte bobine avvolte in un certo modo, mentre il rotore è composto da magneti permanenti. Questi magneti permanenti forniscono, quindi, un campo magnetico costante che interagisce con il campo magnetico variabile fornito dallo statore.
Il principio di funzionamento del PMSM è l'induzione elettromagnetica. Il campo magnetico variabile nel tempo viene creato in un PMSM facendo scorrere la corrente attraverso le bobine dello statore. Secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, questo campo magnetico variabile nel tempo induce una corrente nel rotore. Questa corrente indotta genera il suo campo magnetico autointeragente con il campo magnetico dello statore.
Più fondamentalmente, questo avviene perché l'interazione sviluppata dai campi magnetici emanati dallo statore e dal rotore crea la coppia, facendolo quindi girare. Questo descrive convenzionalmente una cosiddetta forza di Lorentz, definita in precedenza nella sezione precedente; la sua magnitudine e direzione dipenderebbero dalla forza del campo magnetico, da un lato, e dalla geometria e dalla corrente che scorre attraverso le bobine dello statore dall'altro.
Fornisce un feedback sensoriale essenziale nella posizione del rotore e nella velocità per la precisione nel controllo dei PMSM. Un controllo preciso può, quindi, essere garantito da tali informazioni ottenute in termini di impostazione del vettore di corrente dello statore per una coppia ottimale e la massima efficienza. Questi tipi comuni includono encoder, resolver e sensori a effetto Hall.
I PMSM offrono la possibilità di funzionare a velocità sincrona. La velocità sincrona si riferisce a quella velocità in cui il campo magnetico rotante dello statore è a una velocità simile a quella del rotore. Questa operazione sincrona è resa possibile dal controllo appropriato della frequenza e dell'ampiezza della corrente dello statore, offrendo quindi un'elevata efficienza del motore.
La velocità sincrona del PMSM dipende dal numero di poli sia sullo statore che sul rotore. Il numero di poli è pensato per mostrare il numero di coppie di poli nord-sud nel motore. Ad esempio, un motore a quattro poli ha due poli nord e due poli sud sia sullo statore che sul rotore. Il numero di poli influenza ulteriormente le caratteristiche di coppia-velocità del motore, consentendo quindi una progettazione ottimizzata per varie specifiche applicative.
Altri vantaggi dei PMSM, oltre all'elevata efficienza e al controllo preciso, sono l'elevata densità di potenza, intesa come la capacità di fornire più potenza con dimensioni ridotte. Hanno un ampio intervallo operativo, il che significa che possono funzionare in modo efficiente a diverse velocità e carichi. Inoltre, i PMSM generano meno calore e richiedono una manutenzione inferiore rispetto ad altri tipi di motori, il che, dopo un po' di tempo, si traduce in risparmi sui costi.
Il principio di base del motore sincrono a magnete permanente, quindi, di solito si basa sulla relazione tra i campi magnetici dello statore e del rotore, abilitati dalle forze di Lorentz. Un controllo appropriato della corrente dello statore consentirà al motore di regolare con precisione la sua velocità e coppia.
Relazione tra Forza di Lorentz e PMSM
In un PMSM, la forza di Lorentz ha un ruolo importante nel funzionamento del motore. Grazie a questa forza, il rotore del motore ruota interagendo nel campo magnetico creato da entrambe le parti dello statore e del rotore.
Lo statore, nel caso di PMSM, è costituito da bobine. Poiché in queste bobine scorre corrente, verrebbe generato un campo magnetico dovuto a esse, seguendo la legge di utilizzo di Ampère. È costituito da magneti permanenti e ha un campo magnetico costante. Quando il motore inizia a funzionare, si crea una forza di Lorentz dovuta all'interferenza dei due campi magnetici. La forza di Lorentz che agisce su una particella carica che si muove in un campo magnetico è data da F = q(vx B).
L'equazione fondamentale per i fenomeni elettromagnetici è dove F è la forza di Lorentz, una carica della particella che si muove con velocità v nel vettore del campo magnetico, dove i PMSM solitamente spostano particelle cariche che assumono la forma di elettroni che effettivamente scorrono attraverso le bobine dello statore, mentre il campo magnetico è la somma del campo prodotto dallo statore al rotore.
La forza di Lorenz è sempre perpendicolare al campo magnetico e alla direzione del moto delle particelle cariche, mentre la sua determinazione segue la regola della mano destra. In realtà, è a causa di questa forza che la coppia viene generata durante la rotazione in un PMSM. L'entità di questa forza deve dipendere da diversi fattori, tra cui l'intensità del campo magnetico, la carica delle particelle, che a sua volta è correlata alla corrente che scorre attraverso la bobina dello statore, e la velocità delle particelle, correlata alla velocità del rotore.
Le discussioni che seguono spiegano come le forze di Lorentz sono correlate ai motori sincroni a magnete permanente, tenendo conto che operano in modalità diverse. Nella modalità di azionamento in cui il motore viene alimentato, la direzione della forza di Lorentz è opposta alla direzione della coppia di carico. Quindi, si potrebbe interagire e azionare un carico meccanico con il motore.
Durante la modalità generatore, mentre rallenta o frena il motore, il carico meccanico applica una coppia nella direzione opposta sul rotore alla rotazione. Durante quel periodo, la forza di Lorentz agisce nella direzione di decelerazione e genera energia elettrica che può essere reimmessa nel sistema di alimentazione. Questa capacità di frenata rigenerativa è uno dei principali vantaggi del PMSM, poiché aumenta l'efficienza energetica complessiva.
Questa relazione tra forza di Lorentz, campo magnetico e corrente può essere ottimizzata in modo tale da ottenere le migliori prestazioni dei motori. Modificando la quantità di corrente che passa attraverso le bobine dello statore, è possibile ottenere una variazione nell'intensità del campo magnetico. Ciò ovviamente influirà sulla grandezza della forza di Lorentz e, quindi, sulla coppia risultante. Fornisce quindi un controllo molto accurato della velocità e della posizione controllando accuratamente la grandezza della forza di Lorentz, consentendo quindi un funzionamento fluido ed efficiente dei motori.
Cioè, nella progettazione del motore, il numero di poli dello statore e del rotore influenza la forza di Lorentz e, in sostanza, le prestazioni del motore. Il numero di poli definirà le caratteristiche velocità-coppia del motore. Maggiore è il numero di poli, minore è la velocità ma maggiore è la coppia in uscita; minore è il numero di poli, maggiore è la velocità con minore coppia in uscita. Questa flessibilità nella progettazione consente all'ingegnere di realizzare PMSM su misura per le esigenze dell'applicazione.
Ciò significa ancora una volta che una forza di Lorentz, una componente del meccanismo di guida di motore sincrono a magneti permanenti rotazione-quindi avviene come interazione tra campi magnetici creati sia dai componenti dello statore che del rotore, mentre le forze di Lorentz in relazione alla relazione con PMSM in generale consentono un controllo accurato verso le loro prestazioni effettive. I loro principali vantaggi sono l'altissima efficienza, le dimensioni ridotte e la frenata rigenerativa. Questo è un fatto che spiega la loro popolarità per l'applicazione nell'industria e nei veicoli: sono affidabili e assicurano un alto livello di densità di potenza. Utilizzando il principio della forza di Lorentz nell'applicazione, gli ingegneri progettano e ottimizzano ulteriormente la topologia PMSM per soddisfare esigenze particolari, contribuendo ulteriormente all'aggiornamento dei sistemi di propulsione elettrica o dei sistemi di risparmio energetico.
