Κινητήρες IPM και SPM: εσωτερικοί ή επιφανειακοί μαγνήτες

Ανοίξτε τον κινητήρα πλήμνης ενός πατινιού: οι μαγνήτες είναι κολλημένοι στην επιφάνεια του ρότορα. Ανοίξτε τον κινητήρα ενός σύγχρονου ηλεκτρικού αυτοκινήτου: συχνά, οι μαγνήτες είναι ενσωματωμένοι σε σχισμές, μέσα στη στοίβα ελασμάτων του ρότορα. Αυτή η διαφορά στη θέση δίνει δύο οικογένειες σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών: SPM και IPM. Αυτό αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ο κινητήρας παράγει τη ροπή του και την ικανότητά του να περιστρέφεται γρήγορα.

Τα βασικά

• SPM: μαγνήτες στην επιφάνεια του ρότορα. Απλό και αποδοτικό, όπως στους κινητήρες πλήμνης πατινιών.
• IPM: μαγνήτες τοποθετημένοι στο εσωτερικό του ρότορα. Ο κινητήρας παράγει επιπλέον ροπή, τη λεγόμενη ροπή reluctance.
• Ο IPM διατηρεί καλύτερα τις πολύ υψηλές ταχύτητες και προσφέρεται για αποδυνάμωση πεδίου, εξού και η επιτυχία του στην αυτοκινηtikoβιομηχανία.
• Ο IPM απαιτεί πιο ακριβή έλεγχο: το ρεύμα d δεν διατηρείται πλέον στο μηδέν.

Δύο τρόποι τοποθέτησης των μαγνητών

SPM: επιφανειακοί μαγνήτες

SPM σημαίνει «Surface Permanent Magnet». Οι μαγνήτες είναι κολλημένοι στην επιφάνεια του ρότορα, απέναντι από τα πηνία. Η κατασκευή είναι απλή και ολόκληρη η ροή των μαγνητών λειτουργεί άμεσα. Οι κινητήρες πλήμνης πατινιών, με εξωτερικό ρότορα, είναι σχεδόν όλοι αυτού του τύπου: οι μαγνήτες επενδύουν το εσωτερικό του περιστρεφόμενου κελύφους.

Όριο: σε πολύ υψηλή ταχύτητα σε έναν εσωτερικό ρότορα, η φυγόκεντρη δύναμη τείνει να αποσπάσει τους μαγνήτες, οι οποίοι πρέπει τότε να συγκρατηθούν με δακτύλιο.

IPM: εσωτερικοί μαγνήτες

IPM σημαίνει «Interior Permanent Magnet». Οι μαγνήτες γλιστρούν σε θήκες κομμένες στα ελάσματα του ρότορα, συχνά διατεταγμένες σε V. Προστατεύονται μηχανικά και το σχήμα του σιδήρου γύρω τους δημιουργεί ένα επιπλέον φαινόμενο, που περιγράφεται παρακάτω.

Η ροπή reluctance

Ο σίδηρος έλκεται από μαγνητικό πεδίο, ακόμη και χωρίς μαγνήτη: αυτό είναι το φαινόμενο reluctance. Ένα επιμήκες κομμάτι σιδήρου τείνει να ευθυγραμμιστεί με το πεδίο, σαν βελόνα πυξίδας.

Σε έναν IPM, ο ρότορας δεν είναι μαγνητικά «στρογγυλός»: επιτρέπει στο πεδίο να περάσει ευκολότερα σε ορισμένες κατευθύνσεις παρά σε άλλες, λόγω των θιγμάτων των μαγνητών που λειτουργούν ως μικρά κενά. Λέγεται ότι διαθέτει σαλιάντζα. Στη γλώσσα του διανυσματικού ελέγχου, η αυτεπαγωγή του δεν είναι η ίδια στον άξονα d (ευθυγραμμισμένο με τους μαγνήτες) και στον άξονα q (στις 90°).

Αποτέλεσμα: η συνολική ροπή ενός IPM έχει δύο πηγές.

• η ροπή των μαγνητών, όπως σε έναν SPM, που παράγεται από το ρεύμα q·
• η ροπή reluctance, που παράγεται από τον συνδυασμό των ρευμάτων d και q, χάρη στη διαφορά αυτεπαγωγής μεταξύ των δύο αξόνων.

Τι αλλάζει για τον έλεγχο

Σε έναν SPM, το ρεύμα d δεν παράγει ροπή: ο διανυσματικός έλεγχος το διατηρεί στο μηδέν. Σε έναν IPM, ένα καλά επιλεγμένο, αρνητικό ρεύμα d προσθέτει ροπή reluctance. Για μια δεδομένη ροπή, υπάρχει επομένως ένας συνδυασμός ρευμάτων d και q που απαιτεί τα λιγότερα δυνατά αμπέρ: αυτή είναι η στρατηγική MTPA, για «Maximum Torque Per Ampere», δηλαδή τη μέγιστη ροπή ανά αμπέρ.

Ο ελεγκτής πρέπει τότε να γνωρίζει τις δύο αυτεπαγωγές του κινητήρα και να υπολογίζει τη σωστή κατανομή ανά πάσα στιγμή, γεγονός που απαιτεί πιο εμπεριστατωμένη χαρακτηρισificazione του κινητήρα.

Γιατί ο IPM κυριαρχεί στην αυτοκινηtikoβιομηχανία

• Περιστρέφεται γρήγορα: με τους μαγνήτες προστατευμένους στον σίδηρο, αντέχει σε υψηλές ταχύτητες περιστροφής.
• Αποδυναμώνονται αποτελεσματικά τα πεδία του: πέρα από τη βασική του ταχύτητα, διατηρεί χρήσιμη ισχύ σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων χάρη στο ρεύμα d. Δείτε τον οδηγό μας για την αποδυνάμωση πεδίου.
• Εξοικονομεί μαγνήτες: μέρος της ροπής προέρχεται από το reluctance, γεγονός που επιτρέπει τη μείωση της ποσότητας των δαπανηρών μαγνητών.

Ορισμένοι κατασκευαστές προχωρούν παραπέρα με κινητήρες γνωστούς ως «σύγχρονους με υποβοήθηση reluctance από μαγνήτες», όπου το reluctance παρέχει το μεγαλύτερο μέρος της ροπής και οι μαγνήτες προσθέτουν συμπληρωματική ισχύ.

Και σε ένα πατίνι;

Ένας κινητήρας πλήμνης πατινιού περιστρέφεται αργά (ο τροχός κινείται απευθείας) και χρειάζεται πολλή ροπή από την εκκίνηση. Ο SPM με εξωτερικό ρότορα ταιριάζει απόλυτα εδώ: μεγάλη διάμετρος, πολλοί μαγνήτες, άμεση ροπή, απλή κατασκευή. Ο IPM αποκτά όλο του το νόημα σε κινητήρες που περιστρέφονται γρήγορα και κινούν τον τροχό μέσω μείωσης, όπως στις μοτοσικλέτες και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Οι κινητήρες ηλεκτρικών πατινιών μας είναι κινητήρες πλήμνης αυτού του τύπου, σε εκδόσεις High Speed και High Torque.

Συχνές ερωτήσεις

Είναι ένας κινητήρας IPM πιο ισχυρός από έναν SPM;

Όχι από μόνος του. Σε ίδιο μέγεθος, μπορεί να προσφέρει μεγαλύτερη ροπή ανά αμπέρ και κυρίως μεγαλύτερο εύρος ταχύτητας. Αλλά ένας καλά σχεδιασμένος SPM παραμένει εξαιρετικός όταν η ταχύτητα περιστροφής είναι μέτρια, όπως σε έναν τροχό πατινιού.

Γνωρίζει ένας ελεγκτής πατινιού να οδηγεί έναν IPM;

Θα τον κάνει να περιστραφεί, αλλά χωρίς να αξιοποιεί τη ροπή reluctance εάν διατηρεί το ρεύμα d στο μηδέν. Για να αξιοποιηθεί ένας IPM, απαιτείται ελεγκτής που διαχειρίζεται τη στρατηγική MTPA και γνωρίζει τις δύο αυτεπαγωγές του κινητήρα.

Τι σημαίνει «σαλιάντζα»;

Είναι το γεγονός ότι ο ρότορας επιτρέπει στο μαγνητικό πεδίο να περάσει ευκολότερα σε μια κατεύθυνση παρά σε μια άλλη. Μετριέται με τη διαφορά μεταξύ της αυτεπαγωγής κατά μήκος του άξονα των μαγνητών (d) και στις 90° (q). Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά, τόσο μεγαλύτερη είναι η ροπή reluctance.