เนื่องจากมีขนาดกะทัดรัดและมีความหนาแน่นของแรงบิดสูงมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรมหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบขับเคลื่อนประสิทธิภาพสูง เช่น ระบบขับเคลื่อนเรือดำน้ำ มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรไม่จำเป็นต้องใช้วงแหวนสลิปในการกระตุ้น ซึ่งช่วยลดการบำรุงรักษาและการสึกหรอของโรเตอร์ มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีประสิทธิภาพสูงและเหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อนประสิทธิภาพสูง เช่น เครื่องมือกล CNC หุ่นยนต์ และระบบการผลิตอัตโนมัติในอุตสาหกรรม
โดยทั่วไป การออกแบบและการสร้างมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะต้องพิจารณาทั้งโครงสร้างสเตเตอร์และโรเตอร์เพื่อให้ได้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง
การสร้างมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร
ความหนาแน่นฟลักซ์ช่องว่างอากาศ: พิจารณาตามการออกแบบมอเตอร์อะซิงโครนัส ฯลฯ การออกแบบโรเตอร์แม่เหล็กถาวร และข้อกำหนดพิเศษสำหรับการใช้ขดลวดสเตเตอร์แบบสวิตช์ นอกจากนี้สเตเตอร์ยังถือว่าเป็นสเตเตอร์แบบ slotted ความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศถูกจำกัดด้วยความอิ่มตัวของแกนสเตเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความหนาแน่นของฟลักซ์สูงสุดจะถูกจำกัดด้วยความกว้างของฟัน ในขณะที่ด้านหลังของสเตเตอร์จะกำหนดฟลักซ์ทั้งหมดสูงสุด
นอกจากนี้ระดับความอิ่มตัวที่อนุญาตยังขึ้นอยู่กับการใช้งานอีกด้วย โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะมีความหนาแน่นของฟลักซ์ต่ำ ในขณะที่มอเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อความหนาแน่นของแรงบิดสูงสุดจะมีความหนาแน่นของฟลักซ์สูง ความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศสูงสุดโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0.7–1.1 เทสลา โปรดทราบว่านี่คือความหนาแน่นฟลักซ์รวม ซึ่งเป็นผลรวมของฟลักซ์ของโรเตอร์และสเตเตอร์ ซึ่งหมายความว่าหากแรงปฏิกิริยาของกระดองน้อยลง หมายความว่าแรงบิดในการจัดแนวจะสูงขึ้น
อย่างไรก็ตาม เพื่อให้บรรลุถึงการมีส่วนร่วมของแรงบิดแบบฝืนใจขนาดใหญ่ แรงปฏิกิริยาของสเตเตอร์จะต้องมีขนาดใหญ่ พารามิเตอร์ของเครื่องจักรแสดงให้เห็นว่าส่วนใหญ่ต้องใช้ m ขนาดใหญ่และตัวเหนี่ยวนำ L เล็กน้อยเพื่อให้ได้แรงบิดในการจัดแนว โดยทั่วไปเหมาะสำหรับการทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าพื้นฐาน เนื่องจากการเหนี่ยวนำสูงจะลดตัวประกอบกำลังลง
วัสดุแม่เหล็กถาวร:
แม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์หลายชนิด ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ และในปัจจุบันความสนใจมุ่งเน้นไปที่วัสดุที่ทำจากธาตุหายากและโลหะทรานซิชันเพื่อให้ได้แม่เหล็กถาวรที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กสูง แม่เหล็กมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กและทางกลที่แตกต่างกันและมีความต้านทานการกัดกร่อนที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับเทคโนโลยี
แม่เหล็กนีโอไดเมียมเหล็กโบรอน (Nd2Fe14B) และซาแมเรียมโคบอลต์ (Sm1Co5 และ Sm2Co17) เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรเชิงพาณิชย์ที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบัน ภายในแม่เหล็กหายากแต่ละประเภทจะมีเกรดหลากหลาย แม่เหล็ก NdFeB เริ่มจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันในการใช้งานที่แตกต่างกันมากมาย ราคาของวัสดุแม่เหล็กนี้ (คำนวณต่อผลิตภัณฑ์พลังงาน) เทียบได้กับราคาของแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ และแม่เหล็ก NdFeB มีราคาต่อกิโลกรัมมากกว่าแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ประมาณ 10 ถึง 20 เท่า
คุณสมบัติที่สำคัญบางประการที่ใช้ในการเปรียบเทียบแม่เหล็กถาวร ได้แก่ Remanence (Mr) ซึ่งวัดความแรงของสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวร Coercivity (Hcj) ความสามารถของวัสดุในการต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็ก ผลิตภัณฑ์พลังงาน (BHmax) พลังงานแม่เหล็กความหนาแน่น; อุณหภูมิกูรี (TC) คืออุณหภูมิที่วัสดุสูญเสียอำนาจแม่เหล็ก แม่เหล็กนีโอไดเมียมมีการคืนสภาพที่สูงกว่า แรงบีบบังคับที่สูงกว่า และผลิตภัณฑ์พลังงาน แต่โดยทั่วไปจะมีประเภทอุณหภูมิคูรีที่ต่ำกว่า นีโอไดเมียมและเทอร์เบียม และดิสโพรเซียม เพื่อรักษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง
การออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร
ในการออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) การสร้างโรเตอร์แม่เหล็กถาวรจะขึ้นอยู่กับโครงสเตเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส โดยไม่เปลี่ยนรูปทรงของสเตเตอร์และขดลวด ข้อมูลจำเพาะและรูปทรงประกอบด้วยความเร็วมอเตอร์ ความถี่ จำนวนขั้ว ความยาวสเตเตอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในและด้านนอก และจำนวนช่องโรเตอร์ การออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรประกอบด้วยการสูญเสียทองแดง แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลัง การสูญเสียเหล็กและการเหนี่ยวนำในตัวเอง การเหนี่ยวนำร่วมกัน ฟลักซ์แม่เหล็ก ความต้านทานสเตเตอร์ ฯลฯ
การคำนวณการเหนี่ยวนำตนเองและการเหนี่ยวนำร่วมกัน:
ตัวเหนี่ยวนำ L สามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนของการเชื่อมโยงฟลักซ์กับกระแส I ที่สร้างฟลักซ์ในเฮนรีส์ (H) เท่ากับเวเบอร์ต่อแอมแปร์ ตัวเหนี่ยวนำคืออุปกรณ์ที่ใช้ในการเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็ก คล้ายกับวิธีที่ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานในสนามไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำมักจะประกอบด้วยขดลวด ซึ่งมักจะพันรอบแกนเฟอร์ไรต์หรือแกนเฟอร์โรแมกเนติก และค่าตัวเหนี่ยวนำจะสัมพันธ์กับโครงสร้างทางกายภาพของตัวนำและการซึมผ่านของวัสดุที่ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านเท่านั้น
ขั้นตอนในการค้นหาความเหนี่ยวนำมีดังนี้ 1. สมมติว่ามีกระแส I ในตัวนำ 2. ใช้กฎของ Biot-Savart หรือกฎของ Ampere (ถ้ามี) เพื่อพิจารณาว่า B มีความสมมาตรเพียงพอ 3. คำนวณฟลักซ์รวมที่เชื่อมต่อลูปทั้งหมด 4. คูณฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดด้วยจำนวนวงจรเพื่อให้ได้การเชื่อมต่อฟลักซ์ และออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรผ่านการประเมินพารามิเตอร์ที่ต้องการ
การศึกษาพบว่าการออกแบบการใช้ NdFeB เป็นวัสดุโรเตอร์แม่เหล็กถาวรกระแสสลับจะเพิ่มฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่องว่างอากาศ ส่งผลให้รัศมีภายในของสเตเตอร์ลดลง ในขณะที่รัศมีภายในของสเตเตอร์โดยใช้ซาแมเรียมโคบอลต์ถาวร วัสดุโรเตอร์แม่เหล็กมีขนาดใหญ่กว่า ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการสูญเสียทองแดงที่มีประสิทธิผลใน NdFeB ลดลง 8.124% สำหรับซาแมเรียมโคบอลต์ที่เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวร ฟลักซ์แม่เหล็กจะเป็นรูปแบบไซน์ซอยด์ โดยทั่วไป การออกแบบและการสร้างมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะต้องพิจารณาทั้งโครงสร้างสเตเตอร์และโรเตอร์เพื่อให้ได้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง
โดยสรุป
มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) เป็นมอเตอร์ซิงโครนัสที่ใช้แม่เหล็กแรงสูงในการสร้างสนามแม่เหล็ก มีคุณสมบัติเด่นคือ ประสิทธิภาพสูง โครงสร้างเรียบง่าย และควบคุมง่าย มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรชนิดนี้มีการใช้งานในหลายสาขา เช่น ระบบขับเคลื่อน ยานยนต์ หุ่นยนต์ และเทคโนโลยีการบินและอวกาศ ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรสูงกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำที่มีขนาดเท่ากัน เนื่องจากไม่มีกำลังไฟฟ้าของสเตเตอร์ที่ใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กโดยเฉพาะ
ในปัจจุบัน การออกแบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรไม่เพียงแต่ต้องการกำลังมากขึ้น แต่ยังต้องใช้มวลที่ต่ำกว่าและโมเมนต์ความเฉื่อยที่น้อยลงอีกด้วย
