영구 자석 동기 모터의 미래 개발 방향은 어디에 있습니까?

영구 자석 동기 모터의 미래 개발 방향은 어디에 있습니까? 현재 기술 및 개발 추세 분석

1970 년대 희토류 영구 자석 재료의 개발은 희토류 영구 자석 모터의 출현으로 이어졌습니다. 이 모터는 여기에 희토류 자석을 사용하여 자화 할 때 영구 자기장을 생성합니다. 우수한 흥분 성능으로, 그들은 기존의 전기적으로 흥분된 모터를 안정성, 품질 및 손실 감소에 능가하여 전통적인 모터 시장을 재구성 할 수 있습니다.

최근 현대 과학과 기술의 빠른 발전으로 전자기 재료의 성능과 공정, 특히 희토류 전자기 재료가 점차 개선되었으며, 전력 전자 및 전력 전송 기술의 빠른 개발, 자동 제어 기술, 영구 자석 동기 자동차의 성능이 점점 향상되고 있습니다.

또한, 영구 자석 동기 모터는 경량, 단순 구조, 작은 크기, 좋은 특성 및 높은 전력 밀도의 장점을 갖습니다. 많은 과학 연구 기관과 기업은 영구 자석 동기 모터의 연구 및 개발을 적극적으로 수행하고 있으며, 응용 분야는 더욱 확장 될 것입니다.

개발 및 연구 상태

1. 영구 자석 동기 모터의 개발 기초

① 고성능 희토류 영구 자석 재료의 적용

희토류 영구 자석 재료는 SMCO5, SM2CO17 및 ND2FE14B의 세 가지 발달 단계를 통해 진화했습니다. 오늘날 NEODYMIUM IRON BORON (NDFEB) 자석은 우수한 자기 성능으로 인해 가장 널리 사용되는 유형으로 두드러집니다. 영구 자석의 발전은 영구 자석 모터에서 상당한 진전을 이끌어 냈습니다. 전통적인 전기적으로 흥분된 3 상 유도 모터와 달리,이 모터는 전기적으로 흥분된 극을 제거하고 구조 설계를 단순화하며 로터 슬립 고리와 브러쉬를 제거합니다. 이 혁신은 브러시리스 작동을 가능하게하며, 로터 크기를 줄이며, 전력 밀도 및 토크 밀도를 향상시키고, 에너지 효율을 향상 시키며, 모터가 더 작고 가벼울 수 있도록합니다. 이러한 발전은 응용 프로그램 범위를 확대하고 고전력 전기 모터의 개발을 가속화했습니다.

② 새로운 제어 이론의 적용

최근 몇 년 동안 제어 알고리즘은 빠른 발전을 보였습니다. 그 중 벡터 제어 알고리즘은 AC 모터의 구동 전략 문제를 근본적으로 해결하여 우수한 제어 성능을 달성 할 수있었습니다. 직접 토크 제어의 출현은 제어 구조를 단순화하면서 파라미터 변이에 대한 강한 적응성과 빠른 동적 토크 응답을 보여주었습니다. 간접 토크 제어 기술은 직접 토크 제어에서 저속에서 상당한 토크 맥동 문제를 해결함으로써 운동 속도와 제어 정확도를 모두 향상시킵니다.

③ 고성능 전력 전자 제품 및 프로세서의 응용

Modern Power Electronics는 정보 산업과 전통적인 부문 사이의 중요한 인터페이스 역할을하며 저전압 시스템과 제어 된 고전압 응용 분야의 다리 역할을합니다. 전력 전자 장치의 발전으로 인해 구동 제어 전략의 구현이 가능했습니다. 예를 들어, 1970 년대는 산업 주파수 전원 공급 장치를 지속적으로 조정 가능한 주파수 전원으로 변환 할 수있는 범용 주파수 변환기의 출현을 목격하여 AC 주파수 변환 및 속도 조절 조건을 생성합니다. 이 주파수 변환기는 주파수 설정 후 소프트 스타트 기능을 특징으로하므로 사전 결정된 속도로 0에서 대상 주파수로 점진적인 가속이 가능합니다. 가속 속도는 넓은 범위에 걸쳐 지속적으로 조정될 수 있으며 동기 모터의 시작 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

2. 국내외에서 영구 자석 동기 모터의 개발 상태

역사상 첫 번째 모터는 영구 자석 모터였습니다. 그 당시 영구 자석 재료의 성능은 상대적으로 열악했으며, 영구 자석의 강압과 제거가 너무 낮아서 곧 전기적으로 흥분된 모터로 대체되었습니다.

1970 년대에 Neodymium Iron Boron (NDFEB)과 같은 희귀 한 지구 영구 자석 재료는 탁월한 강압, Remanence, 강력한 탈취 기능 및 높은 자기 에너지 제품으로 인해 두드러졌습니다. 이러한 특성은 고출력 영구 자석 동기 모터를 역사적 단계로 추진했습니다. 오늘날 영구 자석 동기 모터에 대한 연구는 크게 성숙하여 고속, 더 큰 토크, 더 높은 전력 출력, 효율성 향상, 소형화 및 지능형 개발로 진행되었습니다.

최근에는 고급 영구 자석 동기 모터가 업계에서 등장했습니다. 주목할만한 예는 1986 년 독일 지멘스가 개발 한 230R/분/1095kW 6 상 모터입니다. 해군 선박에 전력을 공급하는 데 사용되면이 고급 설계는 전통적인 DC 모터에 비해 모터 크기를 거의 60% 줄이면서 에너지 손실을 약 20% 줄입니다. 또한 스위스 회사 ABB는 최대 설치 용량 38MW의 선박 추진 용 영구 자석 동기 모터를 구축했습니다.

영구 자석 모터에 대한 연구는 중국에서 늦게 시작되었지만 국내 학자와 정부에 대한 강력한 투자로 빠르게 발전했습니다. 현재 중국은 3MW 고속 영구 자석 풍력 발전기를 개발하고 생산했으며 CRRC Zhuzhou Company도 더 강력한 영구 자석 모터를 개발하고 있습니다.

마이크로 컴퓨터 기술 및 자동 제어 기술 개발을 통해 영구 자석 동기 모터는 다양한 분야에서 널리 사용되었습니다. 이제 사회적 진보로 인해 영구 자석 동기 모터에 대한 사람들의 요구 사항이 더욱 까다로워졌으며, 영구 자석 모터의 개발이 더 빠른 속도 조절 범위와 더 높은 정밀 제어를 갖도록 촉구합니다.

생산 기술의 개선으로 인해 고성능 영구 자석 재료가 추가로 개발되었습니다. 이로 인해 비용은 크게 줄어들고 다양한 삶의 분야에서 점차적으로 적용됩니다.

 현재 기술

1. 영구 자석 동기 모터 설계 기술

기존의 전기적으로 흥분된 모터와 비교하여 영구 자석 동기 모터는 여기 와인딩, 수집기 고리 및 여기 캐비닛의 필요성을 제거합니다. 이 설계는 안정성과 신뢰성을 크게 향상시킬뿐만 아니라 실질적인 효율성 개선을 달성합니다. 특히, 내장 영구 자석 모터는 고효율, 우수한 전력 계수, 장치 당 고전력 밀도, 강력한 저전압 속도 가속 기능 및 빠른 동적 응답과 같은 이점을 보여 주므로 드라이브 애플리케이션에 이상적인 선택이됩니다. 그러나, 영구 자석은 전체 여기 자기장을 제공하여 코깅 토크를 증가시키고 결과적으로 작동 중에 모터 진동 및 노이즈를 유발합니다. 과도한 코깅 토크는 속도 제어 시스템의 저속 성능과 위치 제어 시스템의 고정밀 포지셔닝 기능을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 모터 설계는 컴포넌트 최적화 우선 순위를 정리하여 코깅 토크를 최소화해야합니다.

연구에 따르면 치아 슬롯 토크를 줄이는 일반적인 방법은 극 아크 계수 수정, 고정자 슬롯 폭을 줄이고, 경사 슬롯 및 극 슬롯 조정 구현, 자기 극 위치, 치수 및 모양 조정이 포함됩니다. 그러나 이러한 측정 값은 잠재적으로 감소하는 전자기 토크와 같은 다른 모터 성능 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있다는 점에 유의해야합니다. 따라서 설계 중에 엔지니어는 최적의 모터 성능을 달성하기 위해 모든 요소의 균형을 맞추기 위해 노력해야합니다.

2.영구 자석 동기 모터 시뮬레이션 기술

영구 자석 모터에서 영구 자석의 존재는 무부하 누출 투과성 및 극 아크 계수와 같은 매개 변수를 계산할 때 설계자에게 도전을 나타냅니다. 유한 요소 분석 소프트웨어는 일반적으로 이러한 모터 매개 변수를 최적화하기 위해 사용됩니다. 이 소프트웨어는 매우 정확한 매개 변수 계산을 가능하게하며, 모터 매개 변수가 성능에 영향을 미치는 방식을 분석 할 때 응용 프로그램은 신뢰할 수있는 결과를 얻습니다.

유한 요소 계산 방법은 모터에서 전자기장을 분석하기위한보다 편리하고 효율적이며 정확한 접근 방식을 제공합니다. 유한 한 차이 방법에서 개발 된 수치 적 방법으로서 과학 및 공학 분야에서 널리 채택되었습니다. 이 과정은 수학적으로 연속 솔루션 도메인을 이산 요소로 분리 한 다음 각 요소 내에서 조각 적 보간을하여 선형 보간 함수 (즉, 근사 기능)를 형성하는 것이 포함됩니다. 유한 요소 시뮬레이션 분석을 통해 모터 내부 내에서 자기 플럭스 라인 패턴 및 플럭스 밀도 분포를 시각적으로 관찰 할 수 있습니다.

3. 영구 자석 동기 모터 제어 기술

모터 드라이브 시스템 성능 향상은 산업 제어 개발에 똑같이 중요합니다. 이 기술은 기본 특성을 통해 시스템 성능을 최적화합니다. 저속 조건에서 빠른 가속 및 고정 가속도에서 높은 토크를 전달하는 동시에 고속에서 광범위한 일정한 출력 조절을 가능하게합니다. 표 1은 주요 모터 성능 메트릭의 비교를 제공합니다.

영구 자석 모터는 탁월한 신뢰성, 넓은 속도 조절 범위 및 고효율을 보여줍니다. 적절한 제어 방법과 쌍을 이룰 때 전체 모터 시스템은 최적의 성능을 달성 할 수 있습니다. 따라서 효율적인 속도 조절에 적합한 제어 알고리즘을 선택하면 모터 드라이브 시스템이 광범위한 속도 범위 및 일정한 전력 영역에서 효과적으로 작동 할 수 있습니다. 벡터 제어 방법은 광범위한 속도 제어 범위, 고효율, 신뢰성, 안정성 및 비용 효율성을 포함한 장점으로 인해 영구 자석 운동 속도 조절 알고리즘에서 널리 채택됩니다. 이러한 방법은 모터 드라이브, 철도 대중 교통 시스템 및 공작 기계 서보 애플리케이션에 광범위하게 사용됩니다. 다른 응용 시나리오에는 해당 현재의 벡터 제어 전략이 필요합니다.

특징 및 분류

1.영구 자석 동기 모터의 특성

영구 자석 동기 모터는 간단한 구조, 낮은 에너지 손실 및 높은 전력 계수를 특징으로합니다. 브러시 및 정류기가 필요한 전기적으로 흥분된 모터와 달리 반응성 여기 전류가 필요하지 않습니다. 이 설계는 고정자 전류 및 저항 손실을 감소시켜 효율이 높고 흥분 토크가 높고 우수한 제어 성능을 제공합니다. 그러나 그들은 높은 비용과 어려운 시작 메커니즘과 같은 도전에 직면 해 있습니다. 모터 제어 기술 (특히 벡터 제어 시스템)의 발전으로 인해 인식적인 자석 동기 모터는 이제 광범위한 속도 조절, 빠른 동적 응답 및 고정밀 포지셔닝 제어를 가능하게합니다. 이러한 기능은 다양한 분야의 연구 노력을 증가시킵니다.

2. 영구 자석 동기 모터의 분류

∎ 회 전자 자기장 파형 형성의 다른 분할에 따라

영구 자석 동기 모터에서 로터 자석의 다른 모양으로 인해 로터 자기장의 공간 분포에 의해 형성된 파형도 다릅니다. 전통적으로, 그것들은 두 가지 유형으로 나뉩니다. 정현파 영구 자석 동기 동기 운동 속도 제어 시스템 (로터가 고정자의 정현파 등 전기 전기력을 생성)과 브러시리스 DC 모터 (BLDCM)는 회전자가 스테이터에서 사다리꼴 등 전기 유전자 전기 힘을 생성합니다.

② 로터에서 영구 자석의 다른 공간 구조에 따라

영구 자석 동기 모터는 로터에서 영구 자석의 공간 배열에 기초하여 표면 장착 및 내장 유형으로 분류됩니다. 표면 장착 모델은 로터 코어의 외부 표면에 단단히 부착되는 타일 모양의 자석을 특징으로합니다. 이 모터의 주요 특징은 직접 축 및 교대 축 구성에 대한 인덕턴스 값이 동일하게 유지된다는 것입니다.

내장 영구 자석 모터에서 영구 자석은 로터 코어 내에 보관됩니다. 이 자석의 외부 표면과 고정자 코어의 안쪽 둘레 사이에는 강자성 물질로 만든 극 신발이 있습니다. 이 극 신발은 자기 플럭스를 집중시켜 공기 갭 자기 밀도를 향상시키고 무부하 공기 갭 자기장의 파형을 향상시킵니다. 이러한 유형의 영구 자석 모터의 주요 특징은 직접 축과 교대 축 자기 회로 사이의 비대칭 구성입니다.

이 두 모터의 성능은 다릅니다. 표면 영구 자석 모터와 비교하여 내장 영구 자석 모터는 약한 자기 속도 팽창 능력, 빠른 동적 응답 및 작은 코깅 토크의 장점을 갖습니다.

영구 자석 동기 모터의 개발 경향

1. 영구적 인 자석 브러시리스 DC 모터 (BLDCM)

1980 년대 이래로 제어 기술, 특히 통제 이론 전략은 빠른 발전을 보았습니다. 슬라이딩 모드 제어 및 가변 구조 제어와 같은 고급 접근 방식은 이제 영구 자석 브러시리스 모터를 위해 컨트롤러에 통합되고 있습니다. 이 발전은 고성능 시스템이 지능적이고 유연하며 완전 디지털화 된 솔루션으로 발전 할 수있는 길을 열었습니다. 생활 수준이 계속 증가하고 환경 보호 인식이 증가함에 따라, 고성능 모터 시스템의 채택은 자동차 산업에서 불가피한 경향이되었습니다. 이 시스템은 또한 앞으로 전기 자동차 및 가정용 가전 제품과 같은 소규모 운동 부문에서 광범위한 응용 프로그램을 볼 것으로 예상됩니다.

2. PMSM의 개발 추세

PMSM 서보 시스템은 자체 기술 및 응용 분야로 인해 두 방향으로 개발됩니다.

Office Office 자동화 장비 분야의 간단하고 저렴한 서보 시스템, 간단한 CNC 공작 기계, 컴퓨터 주변 장치, 가정용 기기 및 성능이 낮은 산업 모션 제어;

② 고정밀 CNC 공작 기계, 로봇, 특수 가공 장비를위한 정밀 사료 드라이브, 항공 및 항공 우주를위한 고성능 완전 디지털, 지능적이고 유연한 서보 시스템. 후자는 서보 시스템의 장점을 더 잘 반영 할 수 있으며 미래 개발의 주요 방향이 될 것입니다.

영구 자석 동기 모터를위한 설계 방법의 분류

1. 임원 회로 방법 ：
모터에서 불균일 한 교대 자기장은 상응하는 자기 회로로 동등하게 모델링 될 수 있으며, 자기장 계산을 자기 회로 계산으로 변환합니다. 그러나 등가 자기 회로 계산은 수많은 보정 계수를 사용하기 때문에 정확한 값을 이론적으로 결정할 수는 없습니다. 따라서 경험적 데이터가 일반적으로 사용됩니다. 예비 설계가 요구 사항을 충족시키지 못하면 설계자는 보정 값을 다시 교정하고 결과를 다시 계산해야합니다.

2. 유한 요소 방법 ：
정확한 계산을 보장하기 위해 영구 자석 극 구성 및 로컬 디자 그네이션과 같은 요소를 포함하여 전자기장 분석이 필수적입니다. 수치 계산을 위해 유한 요소 분석 소프트웨어를 활용하면 제품 개발 비용이 크게 줄어들면서 모터 최적화를위한 정확한 데이터를 제공합니다. 컴퓨팅 파워의 발전은 전자기장 수치 계산에서 다양한 분석 방법의 진화를 가능하게했다. 유한 요소 방법은 본질적으로 문제를 구조적으로 해결 가능한 시스템으로 변환하여 무한한 자유를 유한 한 단위 셀 세트로 이상적인 연속 시스템을 이상화합니다. 현재 ANSYS는 전체 모터 시스템에 대한 포괄적 인 조인트 시뮬레이션을 수행 할 수있는 가장 널리 사용되는 유한 요소 시뮬레이션 소프트웨어입니다.

3. 필드 도로 조합 방법 ：

자기 회로 방법은 빠른 계산 속도를 제공하지만 정밀도가 부족합니다. 컴퓨터 기반 방법은 높은 정확도를 제공하지만 계산 집약적이며 고급 하드웨어가 필요합니다. 전자기 모터 수치 계산의 전통적인 자기 회로 기술과 유한 요소 분석을 통합함으로써, 우리는 계산 효율과 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 현장 회로 통합 방법론은 3 단계 프로세스를 따릅니다. 첫째, 기하학적 모델은 자기 회로 계산을 사용하여 예비로 설정됩니다. 이어서, 유한 요소 분석이 적용되어 동등한 자기 회로 방법에서 보정이 필요한 계수를 정확하게 결정합니다.