Электродвигатели Pumbaa 350 кВт PMSM для электромобилей PML350

1. Двигатель с плоским проводом
• Форма обмотки двигателя постепенно переходит от круглой проволоки к плоской, что обеспечивает высокую степень заполнения пазов, короткие концы, высокую удельную мощность и хорошую теплоотдачу.

2. Конструкция высоковольтной изоляции
• В двигателе используются новые изоляционные материалы и технологические процессы, отвечающие требованиям высокой частоты переключения SiC-контроллеров для двигателей с постоянно возрастающей скоростью вращения.

•3. Высокоскоростные и высокопрочные изолированные подшипники
• В конструкции двигателя используются изолированные подшипники, которые соответствуют расчетным требованиям к скорости вращения 24000 об/мин; это также эффективно предотвращает возникновение электрической коррозии подшипников.

4. Двигатель с масляным охлаждением
• В двигателе используется высокоскоростная конструкция с масляным охлаждением, что эффективно снижает номинальную мощность за счет уменьшения габаритов, что не только повышает эффективность, но и увеличивает срок службы системы.

5. Превосходные показатели NVH (шум, вибрация, жесткость).
• Ротор двигателя имеет сегментированную наклонную полюсную конструкцию, что эффективно оптимизирует уровень шума и вибрации в системе двигателя.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) — это двигатель с постоянными магнитами, широко используемый в электромобилях (EV). Обладая на 15% большей эффективностью, чем асинхронные двигатели (IM), и самой высокой удельной мощностью среди тяговых двигателей, он стал краеугольным камнем современных приводных систем электромобилей.

1. Что такое синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM)?

Как тип синхронного двигателя переменного тока, синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) генерирует свое магнитное поле с помощью постоянных магнитов, которые создают синусоидальные противодействующие силы. Хотя он имеет общую структуру статора и ротора с асинхронными двигателями, в роторе PMSM для генерации магнитного поля используются постоянные магниты (ПМ) вместо обмоток возбуждения, что и дало ему альтернативное название «трехфазный бесщеточный двигатель с постоянными магнитами и синусоидальной волной».
По сравнению с традиционными двигателями, синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) превосходят их по эффективности, бесщеточной конструкции, высокой скорости вращения, безопасности и динамическим характеристикам. Они обеспечивают плавный крутящий момент при низком уровне шума, что делает их идеальными для высокоскоростных применений, таких как робототехника. Будучи трехфазными синхронными двигателями переменного тока, они работают синхронно с внешними источниками переменного тока.

В синхронных двигателях с постоянными магнитами отсутствуют обмотки ротора; вместо этого вращающееся магнитное поле создается непосредственно постоянными магнитами. Это исключает необходимость в постоянном токе, упрощая их конструкцию и снижая стоимость. Их основные компоненты включают статор (с трехфазными обмотками) и ротор (с постоянными магнитами). Работа двигателя начинается с подачи на статор трехфазного переменного тока.

Работа синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM) аналогична работе синхронных двигателей: она основана на вращающемся магнитном поле (ВМП), которое создает электродвижущую силу на синхронной скорости. При подаче трехфазного переменного тока на обмотки статора в воздушном зазоре образуется ВМП. Поскольку постоянные магниты ротора вращаются синхронно с этим ВМП, генерируется крутящий момент. Важно отметить, что синхронные двигатели с постоянными магнитами не являются самозапускающимися и требуют для работы источника питания с регулируемой частотой.

2. Конструкция синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM).

Статор: Подобно обычным асинхронным двигателям переменного тока, статор синхронного двигателя с постоянными магнитами получает питание через свои обмотки. Эти обмотки обычно распределены по нескольким пазам по почти синусоидальной схеме, создавая синусоидальную форму противо-ЭДС.

Ротор: Конструкция ротора отличает синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) от обычных синхронных двигателей. Вместо обмоток возбуждения ротор использует постоянные магниты для создания своих магнитных полюсов. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно используются самариево-кобальтовый и неодимово-железо-борный (NdFeB) магниты, отличающиеся высокой магнитной проницаемостью и экономичностью. Синхронные двигатели с постоянными магнитами классифицируются по расположению постоянных магнитов:

• Поверхностно-монтируемый синхронный двигатель с постоянными магнитами (SPM): постоянные магниты припаиваются к поверхности ротора.

• Встроенный синхронный двигатель с постоянными магнитами (IPM): постоянные магниты встроены в ротор. Конструкции с IPM обеспечивают значительно более высокую эффективность.

(PMSM)

3. Принципы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

В приводах с синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMSM) используется классическая технология векторного управления, обеспечивающая замкнутый контур регулирования скорости для точной регулировки. Система с замкнутым контуром использует обратную связь по скорости для отслеживания положения ротора в реальном времени, поддерживая бесступенчатую регулировку скорости, включая полный крутящий момент при нулевой скорости.

Для определения положения ротора на валу ротора установлен датчик положения (например, энкодер или резольвер). Используя параметры двигателя и измерения тока (обрабатываемые высокоскоростным цифровым сигнальным процессором, DSP), привод вычисляет положение ротора. В течение каждого интервала дискретизации трехфазная система переменного тока преобразуется во вращающуюся двухкоординатную систему, где токи разлагаются на прямую (d) и квадратурную (q) составляющие для независимого управления.

На основе стратегий векторного управления привод генерирует опорные компоненты тока dq, выровненные по целевому крутящему моменту. Затем эти опорные значения используются для формирования сигналов управления затвором инвертора. Ключевым преимуществом является быстрая динамическая реакция: эффекты связи между крутящим моментом и потоком управляются с помощью развязывающего управления (ориентация статорного потока), что позволяет независимо регулировать крутящий момент и поток. Однако такая высокая вычислительная сложность требует использования в приводе быстрого процессора или цифрового сигнального процессора (DSP).

4. Преимущества и недостатки PMSM

Преимущества:

• Высокая устойчивость к перегрузкам; удельная мощность значительно превосходит мощность асинхронных двигателей.

• Более высокая эффективность (на 15% выше, чем у асинхронных двигателей) и меньшие габариты (в 3 раза меньше, чем у обычных двигателей), что упрощает установку и техническое обслуживание.

• Обеспечивает полный крутящий момент на низких оборотах.

• Незначительные потери меди в роторе (отсутствие возбуждения поля через ток статора), что снижает тепловыделение и продлевает срок службы.

• Бесщеточная конструкция исключает использование механических коммутаторов, минимизируя трение, износ и затраты на техническое обслуживание, а также предотвращая риск искрения в агрессивных средах.

• Высокий коэффициент мощности повышает эффективность всей системы и снижает напряжение в сети/кабель-переходник.

• Плавная передача крутящего момента с превосходными динамическими характеристиками.

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями.

• Не имеет функции самозапуска; для запуска требуются источники питания с регулируемой частотой.

• Для управления токами статора необходимы сложные системы управления.

(Двигатель в рабочем состоянии)

Заключение

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) стал ключевой технологией в системах привода электромобилей благодаря своей непревзойденной эффективности, высокой удельной мощности и превосходным динамическим характеристикам. За счет исключения обмоток возбуждения и щеток благодаря возбуждению постоянными магнитами, PMSM снижают потери и повышают надежность. В то же время, технология векторного управления обеспечивает независимое регулирование крутящего момента и потока, предоставляя такие ключевые преимущества, как полный крутящий момент при нулевой скорости и быстрое реагирование.

Несмотря на проблемы, с которыми сталкиваются синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) — более высокая стоимость, отсутствие возможности самозапуска и сложные системы управления — их доминирование в электромобилях остается непоколебимым. Их эффективность (на 15% выше, чем у асинхронных двигателей), компактные размеры (в 3 раза меньше объема традиционных двигателей) и сохранение крутящего момента на низких оборотах делают их незаменимыми для высокопроизводительных электромобилей с большим запасом хода.

По мере того, как достижения в области редкоземельных материалов (например, NdFeB N52), алгоритмов управления на основе искусственного интеллекта (например, модель прогнозирующего управления) и высоковольтных платформ на 800 В становятся все более распространенными, синхронные двигатели с постоянными магнитами будут продолжать развиваться, оптимизируя стоимость, производительность и экологичность. В будущем синхронные двигатели с постоянными магнитами укрепят свою роль «энергетического сердца» электромобилей, стимулируя инновации в отрасли и поддерживая глобальные цели по достижению углеродной нейтральности.