By
PM-Motoren sind mittlerweile auch im Industriesektor zu finden. Anders als bei Induktionsmotoren sind bei PM-Motoren am Rotor Magnete angebracht, die beim Starten des Betriebs das Feld erzeugen. Dieses Dokument gibt Einblick in die Konzepte, Prinzipien und Schlüsselkomponenten von PM-Motoren.
Der grundlegendste Unterschied zwischen PM-Motoren und Induktionsmotoren betrifft die Methode der Magnetfelderzeugung. Induktionsmotoren nutzen ein rotierendes Feld, das in den Statorwicklungen induziert wird, um Ströme im Rotor zu induzieren, die dann mit dem Statorfeld interagieren, um die Antriebskraft zu erzeugen. Eine der besonderen Eigenschaften von Induktionsmotoren besteht darin, dass zwischen dem Rotor und dem Magnetfeld ein Geschwindigkeitsunterschied vorhanden sein muss, um den Strom zu induzieren. Aus diesem Grund funktionieren sie gut, wenn sie mit Frequenzumrichtern gekoppelt werden, um eine Geschwindigkeitsänderung zu erreichen.
Magnetmotoren, auch PM-Motoren genannt, bauen Felder mithilfe von Magneten im Rotor auf und benötigen daher kein Statorfeld zur Flusskopplung. Dieses natürlich angepasste Design bietet eine höhere Effizienz bei Anwendungen, die Drehzahlschwankungen erfordern. Basierend auf der Magnetplatzierung gibt es zwei Hauptformen von Permanentmagnetmotoren: Oberflächen-Permanentmagnetmotoren und Innen-Permanentmagnetmotoren. Die Haltbarkeit, Magnetleistung und elektromagnetischen Eigenschaften der Motoren variieren je nach Typ.
Um die Funktionsweise von PM-Motoren zu verstehen, müssen einige wichtige Konzepte im Zusammenhang mit Fluss, Flussverkettung und Magnetfeldern verstanden werden.
Ein Feld entsteht, wenn ein Strom durch einen Leiter fließt. Der Fluss ist ein Maß für die Übertragungsrate einer Eigenschaft über eine Fläche. Bei Motoren gibt der Fluss an, wie schnell sich das Magnetfeld über die Oberfläche der Drähte ausbreitet.
Die Flussverkettung ist eine Wechselwirkung eines magnetischen Felds mit einem Material, wie z. B. der Durchgang durch eine Spule. Sie hängt von der Anzahl der Windungen in der Wicklung und dem magnetischen Fluss ab, der oft durch das Symbol ϕ dargestellt wird, das den Wert des Flusses im Zeitverlauf zeigt. Die Formel zur Berechnung der Flussverkettung lautet λ = N × ϕ, wobei λ die Flussverkettung, N die Anzahl der Windungen und ϕ der Fluss ist.
Magnetfelddiagramm, das zeigt, wie sich Magnetismus im Raum eines Leiters bewegt. In Magnetmotoren werden Magnete an der Oberfläche des Rotors angebracht, um das Feld zu erzeugen.
Bei der Diskussion der Eigenschaften von PM-Motoren ist es wichtig, die Konzepte von Induktivität und elektromotorischer Kraft zu berücksichtigen.
Induktivität, L: Dies ist die Proportionalitätskonstante der induzierten Spannung in Bezug auf Stromänderungen. Mit anderen Worten ist die Induktivität die Flussverkettung pro Stromeinheit. Sie hängt mit geometrischen Eigenschaften zusammen: dem Weg des Stroms, und wird in Henry (H) gemessen. Die Induktivität in PM-Motoren kann je nach Position des Rotors und der Magnetpole in d-Achsen-Induktivität und q-Achsen-Induktivität unterschieden werden.
Gegen-EMK: Die Spannung wird in den Statorwicklungen aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld des Rotors und den Statorwicklungen während der Drehung des Motors induziert. Bei PM-Motoren stammt das Magnetfeld von Permanentmagneten am Rotor. Daher werden in den Statorwicklungen Spannungen induziert, solange sich der Rotor bewegt. Dies verursacht eine Gegen-EMK, die mit zunehmender Motordrehzahl linear ansteigt und somit zu einem Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der maximalen Betriebsdrehzahl des Motors wird.
Bei der Beschreibung der elektromagnetischen Eigenschaften von PM-Motoren werden zwei wichtige Achsen verwendet.
D-Achse (direkte Achse): Sie verläuft entlang der Hauptflussrichtung des Motors. Die Induktivität der D-Achse entspricht dem Induktivitätswert, wenn der Fluss durch den Magnetpol fließt.
Q-Achse (Quadraturachse): Sie entspricht der Hauptdrehmomenterzeugungsrichtung des Motors. Die Q-Achsen-Induktivität entspricht dem Induktivitätswert, wenn der Fluss zwischen den Magnetpolen fließt.
Bei PM-Motoren mit Innenmagneten sind die Induktivitätswerte für die d- und q-Achse unterschiedlich, da durch die Anwesenheit von Magneten das Kernmaterial entlang der d-Achse reduziert wird und somit die Induktivität sinkt. Bei PM-Motoren mit Oberflächenmagneten sind die Induktivitätswerte für die d- und q-Achse nahezu identisch, da sich die Magnete auf der Außenseite des Rotors befinden und die Verbindung des Statormagnetfelds mit dem Kern nicht beeinträchtigen.
Die magnetische Salienz ist ein Maß für die relative Abweichung der d- und q-Achsen-Induktivität in Bezug auf die Rotorposition. Eine der wichtigsten Designüberlegungen für PM-Motoren ist die magnetische Salienz. In den meisten Fällen ist sie bei einem elektrischen Winkel von 90 Grad am größten, wo der Unterschied zwischen der q- und d-Achsen-Induktivität am größten ist.
Die beiden Hauptkomponenten des Drehmoments, das in PM-Motoren entwickelt wird, sind das magnetische Drehmoment und das Reluktanzdrehmoment. Das magnetische Drehmoment entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss des Rotors und dem Strom der Statorwicklung. Das Reluktanzdrehmoment hat seinen Ursprung in der Vorliebe der Rotorachse, sich entlang des Statorflussfelds auszurichten. Das tatsächliche Ausgangsdrehmoment des Motors wird von beiden bestimmt.
Die grundlegendsten Unterschiede bei PM-Motoren liegen darin, dass bei erhöhtem Laststrom die Werte der d- und q-Achsen-Induktivität aufgrund der magnetischen Sättigung im Kernmaterial abnehmen. Ab einer bestimmten Flussstärke steigt die Induktivität des Kerns nicht weiter an und kann sogar abnehmen.
Die Schwächung des Flusses ist eine Technik, die das Flussfeld verringert, um die Gegen-EMK zu verringern und höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Normalerweise erfordert dieser Vorgang zusätzlichen Strom im Motor. Durch Ändern der Stromrichtung in der d-Achse kann der Motor den Fluss je nach Betriebsanforderungen schwächen oder verstärken.
PM-Motoren können in zwei Bauarten unterteilt werden: Motoren mit Innenmagneten und Motoren mit Oberflächenmagneten. Jede Bauart von PM-Motoren hat relative Vor- und Nachteile, wobei die Wahl häufig von der Anwendung abhängt. Beispielsweise ist in solchen Anwendungen, in denen eine hohe mechanische Festigkeit bei hohen Geschwindigkeiten erforderlich ist, die Konstruktion mit im Rotor eingebetteten Magneten ideal, während Motoren mit Oberflächenmagneten leichter zu erkennen und kostengünstiger sind.
Die Leistung von PM-Motoren hängt weitgehend von den magnetischen Materialien ab. Permanentmagnetische Materialien, die üblicherweise in PM-Motoren verwendet werden, wie Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) und Samarium-Kobalt (SmCo), weisen unterschiedliche Eigenschaften auf: Magnetische Leistung und Hochtemperaturbeständigkeit variieren. In dieser Hinsicht hängt die Auswahl des magnetischen Materials stark vom Anwendungsszenario ab und sollte daher während des Motorkonstruktionsprozesses entsprechend ausgewählt werden.
Dank der fortschrittlichen Entwicklung im Bereich der Antriebstechnologien sind moderne AC-Antriebe mit variabler Drehzahl auch in der Lage, sich selbst zu erfassen und sogar einen geschlossenen Regelkreis zu betreiben, indem sie die Polposition des Motors erkennen oder verfolgen, um das Ausgangsdrehmoment zu maximieren und die Effizienz zu optimieren. Dieses Steuerungsschema findet viele Anwendungen in Servomotoren, die in Positionssteuerungsanwendungen eingesetzt werden, bei denen sowohl hohe Genauigkeit als auch schnelle Geschwindigkeitsreaktionen erforderlich sind.
Servomotoren haben oft ein Design mit Permanentmagneten im Inneren und sind mit einem speziellen Verstärker gekoppelt. Beides zusammen, vom Hersteller optimiert und abgestimmt, ist für einen optimalen Betrieb ausgelegt. In der Praxis werden Servomotoren oft in CNC-Maschinen, Robotern und Automatisierungsgeräten eingesetzt.
Obwohl diese Materialien als „Permanentmagnete“ bezeichnet werden, handelt es sich dabei nicht um Permanentmagnete im eigentlichen Sinne. Bei Veränderungen der äußeren Bedingungen, beispielsweise mechanischer Belastung, hoher Temperatur oder starker elektromagnetischer Beeinflussung, kann ihr Magnetismus schwächer werden oder ganz verschwinden.
Mechanische Beanspruchung: Permanentmagnete können aufgrund innerer Strukturveränderungen ihren Magnetismus verlieren, wenn sie starken Stößen oder Stürzen ausgesetzt sind.
Der Einfluss der Temperatur auf Materialien besteht darin, dass jedes Material eine Temperatur erreicht, die sogenannte „Curietemperatur“, bei der es nicht mehr magnetisch ist.
Die magnetischen Eigenschaften von Magneten können gestört werden, was zu einem Verlust des Magnetismus führen kann.
Daher ist es wichtig, diese Entmagnetisierungsaspekte zu berücksichtigen und Strategien bei der Entwicklung und Nutzung von PM-Motoren zu integrieren.
X.Enneng: Weiterentwicklung hocheffizienter Permanentmagnetmotoren
ENNENG war ein Hersteller von Magnetmotoren, ein Unternehmen, das offiziell als Qingdao Enneng Magnet Motor Co., Ltd. bekannt ist. Es befindet sich in der Region Qingdao in China. Die Fertigungsarten umfassen Standard-, Standard- und kundenspezifische Typen wie getriebelose und angetriebene Motoren. Die von ENPMSM hergestellten Motoren werden in Kraftwerken, Metallurgie, Chemie, Minen und Ölfeldern eingesetzt. Enneng ist für seinen Schwerpunkt auf Innovation bekannt und beherbergt ein Forschungs- und Entwicklungsteam mit erworbenen technischen Patenten. Sein Engagement für den Fortschritt hat ihm die Anerkennung als eines der herausragenden „Hundert innovativen Unternehmen“ in Qingdao eingebracht.
PM-Motoren sind sehr effizient und präzise; daher sind sie in Verbraucheranwendungen sehr gefragt. Das Verständnis der Prinzipien und Konzepte dieser Motoren ist wichtig für ein besseres Design und eine bessere Leistungssicherung. Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden PM-Motoren immer mehr Anwendung finden und einen wesentlichen Beitrag zu Antriebssystemen leisten.
