Maximizando a eficiência do PMSM: um guia para conjuntos de rotor magnético

Para motores síncronos de ímã permanente (PMSM), a configuração do conjunto do ímã do rotor afeta diretamente a ondulação de torque, a forma de onda-de retorno EMF e a eficiência geral. Os rotores-de ímã permanente montados na superfície (SPM) oferecem maior densidade de fluxo de entreferro, mas sofrem vazamento magnético em altas velocidades, enquanto os rotores internos de ímã permanente (IPM) fornecem robustez mecânica e contribuição de torque de relutância, mas exigem posicionamento preciso do ímã para evitar o cancelamento do fluxo. A seleção da arquitetura do rotor ou da orientação do ímã incorreta reduz a eficiência do motor em 5 a 12% em aplicações típicas de acionamento industrial. O guia de engenharia a seguir compara projetos SPM versus IPM, explica os efeitos da direção da magnetização na saída de torque e mostra como a FEA otimiza o passo dos pólos.

Os rotores SPM possuem ímãs colados ou retidos na circunferência externa do rotor. Este projeto oferece uma grande área de entreferro eficaz, produzindo alto fluxo magnético por volume de ímã. O SPM é preferido para aplicações de alta-densidade de torque, como servomotores e turbinas eólicas-de acionamento direto. No entanto, a força centrífuga em altas RPM (acima de 10.000 rpm) pode separar os ímãs da superfície, a menos que sejam aplicadas mangas de fibra de carbono ou anéis de retenção de Inconel.

Os rotores IPM incorporam ímãs dentro da pilha de laminação do rotor. Os ímãs são protegidos mecanicamente contra forças centrífugas, tornando o IPM adequado para motores de tração de alta-velocidade (15.000-20.000 rpm). Além disso, o ferro do rotor entre os ímãs cria torque de relutância devido às diferenças de indutância Ld e Lq, melhorando a saída geral de torque em 20-35% em comparação com o SPM do mesmo volume magnético. A desvantagem: a montagem do IPM é mais complexa, exigindo preenchimento preciso das ranhuras e impregnação com epóxi para evitar o movimento do ímã durante o ciclo térmico.

O vazamento magnético reduz o fluxo efetivo que atravessa o entreferro. Em rotores SPM, o vazamento ocorre principalmente através do ferro traseiro do rotor se a distância do ímã-ao-ferro traseiro-for muito pequena. Uma espessura mínima do ferro traseiro de 5-8 mm para um diâmetro de rotor de 50 mm é típica para manter o vazamento abaixo de 5% do fluxo total.

Em rotores IPM, os caminhos de vazamento são mais complexos: o fluxo pode causar curto-circuito entre slots magnéticos adjacentes através das pontes do rotor. A espessura da ponte deve ser otimizada: uma ponte mais fina que 1,5 mm para uma pilha de 30 mm corre o risco de fratura mecânica, mas uma ponte mais espessa que 2,5 mm aumenta o vazamento em 10-15%. A simulação FEA é necessária para encontrar o equilíbrio. Nosso projeto padrão de IPM visa um coeficiente de vazamento (σ) de 1,2-1,3.

A direção de magnetização em relação à superfície do rotor define o caminho do fluxo. Para rotores SPM, a magnetização radial (vetor magnético apontando para fora ao longo do raio do rotor) é padrão, produzindo back-EMF senoidal. No entanto, a magnetização paralela (todos os vetores paralelos entre si) cria uma distribuição de fluxo trapezoidal, que aumenta a ondulação de torque em 8-12%, mas pode melhorar o torque de pico em 5-7% em acionamentos não senoidais.

Para rotores IPM, a direção de magnetização pode ser paralela ao eixo q-(alinhamento da barreira de fluxo) ou em forma de V-com um ângulo de 20-30 graus. Rotores IPM em forma de V com ângulo magnético de 120-130 graus produzem a maior contribuição de torque de relutância, melhorando a eficiência em cargas parciais. A magnetização multipolar (8 polos, 12 polos, 16 polos) reduz a espessura do garfo do estator, mas aumenta a complexidade da montagem do ímã. Para um determinado tamanho de estrutura, aumentar a contagem de pólos de 8 para 16 reduz o peso do ferro traseiro em aproximadamente 30%, mas requer tolerâncias de montagem 0,2-0,3 mm mais rígidas.

O passo do pólo (a largura angular de cada ímã em relação ao arco do pólo) determina a forma da distribuição do fluxo. Um passo excessivamente largo dos pólos reduz a distância entre os pólos adjacentes, aumentando o vazamento de fluxo. Um passo de pólo excessivamente estreito reduz o fluxo total. O passo ideal do pólo para ímãs de NdFeB montados em superfície é normalmente de 70 a 80% do arco do pólo.

Usando simulação magnética de análise de elementos finitos (FEA), avaliamos:

Densidade de fluxo em carga nominal vs. sobrecarga (2x corrente)

Risco de desmagnetização na temperatura máxima (usando desclassificação Hcj)

Amplitude de torque de engrenagem (alvo <3% do torque nominal para servomotores)

Fornecemos aos clientes relatórios FEA, incluindo gráficos de linhas de fluxo, harmônicos de densidade de fluxo de entreferro (análise FFT) e curvas de-ângulo de torque. Esses dados permitem que os fabricantes de motores finalizem o projeto do enrolamento e da laminação do estator antes da ferramenta.

Para fabricantes de rotores PMSM que exigem formatos magnéticos personalizados (segmentos de arco, blocos trapezoidais) ou conjuntos magnéticos completos com pré-aplicação de adesivo, consulte nossa página Conjunto magnético de rotor em nosso site. Oferecemos suporte a padrões de magnetização, incluindo senoidal, Halbach e inclinação segmentada para reduzir a ondulação de torque.

Para discutir as especificações do seu motor – incluindo velocidade nominal, temperatura ambiente e classe de eficiência alvo (IE4/IE5) – entre em contato com nossa equipe técnica. Fornecemos seleção de classe (N35UH, N42SH, N48H) e validação de desmagnetização FEA.

P: Como escolho entre o design do rotor SPM e IPM para um servo motor industrial de 10 kW?
R: Para velocidades abaixo de 6.000 rpm e requisitos de baixa ondulação de torque, o SPM com ímãs N42SH é econômico-. Para velocidades acima de 8.000 rpm ou ampla faixa de potência constante, escolha IPM com ímãs N35UH para evitar o desprendimento do ímã em alta-velocidade.

P: Qual é a variação típica de espessura do ímã permitida em um conjunto de rotor PMSM?
A: Tolerância de espessura: ± 0,05 mm para segmentos SPM, ± 0,03 mm para inserções IPM. Maior variação causa assimetria no entreferro, aumentando a atração magnética e a vibração desequilibradas.

P: Você pode fornecer conjuntos magnéticos com revestimento epóxi para proteção contra corrosão em rotores IPM?
R: Sim. Aplicamos Ni-Cu-Ni (10-20μm) ou epóxi (20-40μm) em cada ímã. Para rotores IPM, o revestimento epóxi com 100-200 μm de espessura nas bordas do ímã melhora o preenchimento da ranhura e evita o contato condutivo entre o ímã e a laminação.