Motores de imán permanente impulsan la eficiencia y precisión industrial

Los motores eléctricos impulsan la sangre vital de la industria moderna, y entre ellos, los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) están emergiendo como una solución superior en múltiples sectores.¿Qué ventajas ofrecen sobre los motores tradicionales?¿Qué diseños ingeniosos se ocultan dentro de su estructura? ¿Qué estrategias de control únicas los hacen destacar?métodos de control, y las aplicaciones.

El motor síncrono de imán permanente (PMSM) es un tipo de motor síncrono donde el campo magnético de excitación es proporcionado por imanes permanentes.En comparación con los motores síncronos eléctricamente excitados tradicionalesLos PMSM eliminan la necesidad de envolturas de excitación adicionales y fuentes de energía, lo que resulta en una estructura más compacta y una mayor eficiencia.Los PMSM ofrecen una mayor densidad de potencia, relación de par a inercia y precisión de control, lo que los hace ideales para servo accionamientos de alto rendimiento, vehículos eléctricos, generación eólica y otras aplicaciones.

Los PMSM consisten principalmente en dos partes: el estator y el rotor.

El estator, el componente estacionario de un PMSM, se compone principalmente del núcleo del estator y los devanados del estator.Los devanados del estator están incrustados en las ranuras del núcleo del estator, formando devanados de CA de múltiples fases, siendo las configuraciones de dos fases y tres fases las más comunes.

Las bobinas distribuidas cuentan con múltiples ranuras por polo por fase (Q=2,3Su ventaja radica en suprimir eficazmente los armónicos más altos y mejorar el rendimiento motor, aunque la complejidad de fabricación aumenta.

Los devanados concentrados utilizan una ranura por polo por fase (Q = 1). Aunque son más simples de fabricar, generan un mayor contenido armónico, lo que requiere medidas adicionales para la supresión armónica.

El rotor, el componente giratorio, cuenta con imanes permanentes como su innovación clave.

En los SPMSM, los imanes están montados directamente en la superficie del rotor.pero sufre de una menor resistencia mecánica y vulnerabilidad al imán a las influencias del espacio aéreo.

Los IPMSM incorporan imanes dentro del rotor, ofreciendo una resistencia mecánica superior y la capacidad de utilizar el par de reluctancia para aumentar la densidad de par.incluidos los de una sola capa, de varias capas y de tipo V.

Una clasificación adicional basada en la relación de saliencia divide los PMSM en:

• PMSM de los polos salientes:Donde la inductancia del eje directo (Ld) difiere de la inductancia del eje cuadrado (Lq).
• PMSM no salientes:Donde Ld es igual a Lq.

Los PMSM funcionan a través de la interacción entre el campo magnético giratorio del estator y el campo magnético permanente del rotor.genera un campo magnético giratorioEl campo magnético permanente del rotor se sincroniza con este campo giratorio, produciendo un par que impulsa la rotación.El funcionamiento síncrono ocurre cuando la velocidad del rotor coincide con la velocidad de rotación del campo del estator.

Al igual que los motores de inducción, la corriente CA de tres fases en los devanados del estator PMSM crea un campo magnético giratorio.

n = 60f / p

donde n es la velocidad de rotación (rpm), f es la frecuencia (Hz) y p es el número de pares de polos.

La interacción entre los campos magnéticos permanentes del rotor y los campos de rotación del estator produce un par electromagnético.y parámetros estructurales del motorLos SPMSM generan principalmente torque de imán permanente, mientras que los IPMSM producen tanto torque de imán permanente como torque de reluctancia debido a su diseño de polo saliente.

El control PMSM tiene como objetivo la regulación precisa de la velocidad, el par y la posición.

Este método sencillo controla la velocidad del motor manteniendo una relación constante entre voltaje y frecuencia.que lo hace inadecuado para aplicaciones de alto rendimiento.

Esta técnica avanzada descompone la corriente del estator en componentes de excitación y par para un control independiente.FOC ofrece una alta precisión y respuesta dinámica, pero requiere algoritmos complejos que involucran transformaciones de coordenadas e identificación de parámetros.

Utilizando el flujo del rotor como referencia, este método descompone la corriente del estator en componentes del eje d y del eje q para un control separado de la excitación y el par,que permite una respuesta rápida al par, pero requiere datos precisos de la posición del rotor.

Esta variación utiliza el flujo del estator como referencia, eliminando la dependencia directa de la posición del rotor pero aumentando la complejidad algorítmica.

DTC regula directamente el par controlando los vectores de voltaje del estator para que coincidan con los valores de par y flujo de referencia.Produce una ondulación de par significativa que requiere medidas de mitigación.

La eliminación de sensores de posición reduce el costo y la complejidad.

Este método estima la posición del rotor a partir de las observaciones de los campos electromagnéticos invertidos, pero tiene dificultades a bajas velocidades debido a las pequeñas amplitudes de señal vulnerables a las interferencias de ruido.

Al inyectar señales de alta frecuencia y monitorear las variaciones de inductancia causadas por efectos de saliencia, este enfoque funciona bien para los IPMSM, pero exige frecuencias de conmutación más altas.

Utilizado para PMSM con campo electromagnético trasero trapezoidal, este método simple produce una ondulación de par significativa.

En comparación con los motores de inducción tradicionales, los PMSM ofrecen:

La eliminación de la corriente de excitación reduce las pérdidas, particularmente notables bajo cargas ligeras.Los estudios muestran que los PMSM alcanzan aproximadamente un 2% más de eficiencia que los motores de inducción de eficiencia superior (IE3) en condiciones comparables.

Los imanes permanentes de alta energía permiten campos magnéticos más fuertes dentro de dimensiones compactas, proporcionando más potencia por unidad de volumen.

Los diseños de rotores compactos con baja inercia facilitan operaciones rápidas de arranque-parada y aceleración, mejorando la respuesta dinámica.

Los métodos de control avanzados como FOC y DTC permiten una regulación precisa de la velocidad, el par y la posición, satisfaciendo las aplicaciones de servo más exigentes.

Los PMSM destacan en diversos campos:

Ideal para sistemas de propulsión de vehículos eléctricos, los PMSM mejoran el alcance y la aceleración.

Las turbinas eólicas PMSM de accionamiento directo eliminan las cajas de engranajes, reduciendo las pérdidas mecánicas y el mantenimiento al tiempo que mejoran la confiabilidad en ambientes hostiles.

Como componentes centrales de los servos de alto rendimiento, los PMSM satisfacen las exigentes exigencias de los robots industriales y las máquinas herramienta CNC.

Ampliamente utilizados en acondicionadores de aire basados en inversores, lavadoras y refrigeradores, los PMSM mejoran la eficiencia energética al tiempo que reducen el ruido y aumentan la vida útil.

Con su eficiencia superior, densidad de potencia y precisión de control, los PMSM representan un avance significativo en la tecnología del motor.A medida que los materiales de imán permanente y los algoritmos de control continúan evolucionandoEn la actualidad, las aplicaciones se expandirán aún más en la movilidad eléctrica, la fabricación inteligente y la aeroespacial.Las nuevas tecnologías y las técnicas sin sensores prometen impulsar el desarrollo continuo de PMSM..