Silniki IPM i SPM: magnesy umieszczone na powierzchni lub wewnątrz – co to zmienia?
Otwórz silnik w piaście hulajnogi: magnesy są przyklejone do powierzchni wirnika. Otwórz silnik w nowszym samochodzie elektrycznym: często magnesy są umieszczone w rowkach, wewnątrz warstw blach wirnika. Ta różnica w położeniu prowadzi do dwóch rodzajów silników synchronicznych z magnesami trwałymi: SPM i IPM. Zmienia to sposób, w jaki silnik generuje moment obrotowy i jego zdolność do osiągania wysokich prędkości.
Najważniejsze
- SPM: magnesy umieszczone na powierzchni rotora. Prosta i skuteczna konstrukcja, charakterystyczna dla silników w hulajnogach elektrycznych.
- IPM (In-Runner Permanent Magnet): magnesy umieszczone wewnątrz wirnika. Silnik generuje dodatkowy moment obrotowy, zwany momentem reluktancji.
- Konfiguracja IPM lepiej radzi sobie przy bardzo wysokich prędkościach i dobrze sprawdza się w zastosowaniach wymagających chłodzenia, co tłumaczy jej popularność w przemyśle motoryzacyjnym.
- Sterowanie IPM (Inner Power Management) wymaga bardziej precyzyjnych ustawień: prąd "d" nie jest już utrzymywany na poziomie zerowym.
Dwa sposoby montażu magnesów
SPM: magnesy umieszczone na powierzchni
SPM oznacza "stały magnes powierzchniowy". Magnesy są przyklejane do powierzchni rotora, naprzeciwko uzwojeń. Konstrukcja jest prosta, a cały strumień magnetyczny działa bezpośrednio. Silniki wbudowane w koła hulajnóg elektrycznych, z rotorem zewnętrznym, są prawie zawsze tego typu: magnesy wyściełają wnętrze obracającej się obudowy.
Ograniczenie: przy bardzo wysokich prędkościach, szczególnie w przypadku silników z magnesami wewnętrznymi, siła odśrodkowa może powodować odrywanie magnesów. W takim przypadku konieczne jest ich usztywnienie, czyli utrzymanie na miejscu za pomocą pierścienia.
IPM: magnesy wewnętrzne
IPM oznacza "Permanent Magnet Inside" (magnes trwały wewnątrz). Magnesy są umieszczane w zagłębieniach wyciętych w blachach wirnika, często ułożonych w kształcie litery V. Są one mechanicznie chronione, a kształt metalu otaczającego je tworzy dodatkowy efekt, który zostanie opisany poniżej.
Moment obrotowy zależny od oporu
Żelazo jest przyciągane przez pole magnetyczne, nawet bez obecności magnesu: to zjawisko nazywane reluktancją. Długi kawałek żelaza ma tendencję do ustawiania się zgodnie z kierunkiem pola, podobnie jak wskazówka kompasu.
W silniku IPM (Interior Permanent Magnet), rotor nie jest magnetycznie "jednolity": przepuszcza pole magnetyczne łatwiej w niektórych kierunkach niż w innych, ze względu na przestrzenie, w których znajdują się magnesy. Mówimy, że silnik ma saillance. W języku sterowania wektorowego, jego indukcyjność nie jest taka sama na osi d (wyrównanej z magnesami) i na osi q (pod kątem 90°).
Wynik: moment obrotowy silnika IPM pochodzi z dwóch źródeł.
- Moment obrotowy magnesów, podobnie jak w silniku SPM, jest generowany przez prąd q;
- Moment reluktancji, generowany przez kombinację prądów d i q, wynika z różnicy indukcyjności między dwoma osiami.
Co to zmienia w kwestii sterowania?
W silniku SPM, prąd *d* nie generuje momentu obrotowego: sterowanie wektorowe (ang. vectorial control) utrzymuje go na poziomie zerowym. W silniku IPM, odpowiednio dobrany, ujemny prąd *d* zwiększa moment obrotowy związany z reluktancją. Dla danego momentu obrotowego, istnieje kombinacja prądów *d* i *q*, która wymaga najmniejszej możliwej wartości prądu: jest to strategia MTPA, czyli "Maximum Torque Per Ampere" – maksymalny moment obrotowy na amper.
Kontroler musi wówczas znać dwa parametry indukcyjności silnika i obliczać odpowiednią dystrybucję w każdym momencie, co wymaga bardziej szczegółowej charakterystyki silnika.
Dlaczego IPM (Integrated Power Module) jest tak popularne w przemyśle motoryzacyjnym?
- `Szybka praca`: magnesy chronione w obudowie żelaznej, co pozwala na osiąganie wysokich prędkości obrotowych.
- Dobrze się "rozmagnesowuje" (field weakening): Oprócz swojej podstawowej prędkości, utrzymuje użyteczną moc w szerokim zakresie prędkości dzięki prądowi. Zobacz nasz przewodnik na temat "rozmagnesowywania" (field weakening) silnika.
- Oszczędza magnesy: Część momentu obrotowego pochodzi z reluktancji, co pozwala na zmniejszenie ilości magnesów, które są kosztowne.
Niektórzy producenci idą dalej, stosując silniki nazywane „silnikami synchronicznymi z reluktancją wspomaganą magnesami”, w których reluktancja zapewnia główną część momentu obrotowego, a magnesy stanowią dodatkowe wsparcie.
A co z hulajnogą?
Silnik w piaście hulajnogi obraca się wolno (koło jest napędzane bezpośrednio) i wymaga dużego momentu obrotowego od zera. Silnik SPM z zewnętrznym rotorem doskonale się do tego nadaje: duża średnica, dużo magnesów, bezpośredni moment obrotowy, prosta konstrukcja. Silnik IPM zyskuje swoje zalety w silnikach, które obracają się szybko i napędzają koło za pomocą przekładni, jak to ma miejsce w motocyklach i samochodach elektrycznych.
Nasze silniki do hulajnóg elektrycznych to silniki piastowe, dostępne w wersjach o wysokiej prędkości i wysokim momencie obrotowym.
Często zadawane pytania
Czy silnik IPM jest bardziej wydajny niż silnik SPM?
Oś napędowa. Przy tej samej wielkości, może oferować większy moment obrotowy na amper i, co ważniejsze, szerszy zakres prędkości. Jednak dobrze zaprojektowana oś napędowa pozostaje doskonałym rozwiązaniem, gdy prędkość obrotowa jest umiarkowana, jak w przypadku kół w hulajnogach.
Czy kontroler hulajnogi jest w stanie sterować silnikiem IPM?
Będzie działał, ale nie wykorzysta momentu obrotowego generowanego przez reluktancję, jeśli utrzymuje prąd fazowy na poziomie zerowym. Aby w pełni wykorzystać silnik IPM, potrzebny jest kontroler, który zarządza strategią MTPA (Maximum Torque Per Ampere) i zna wartości dwóch indukcji silnika.
Co oznacza słowo "saillance"?
Wynika to z faktu, że rotor przepuszcza pole magnetyczne łatwiej w jednym kierunku niż w drugim. Mierzy się to za pomocą różnicy między indukcyjnością wzdłuż osi magnesów (d) a indukcyjnością pod kątem 90° (q). Im większa ta różnica, tym większy jest moment obrotowy związany z reluktancją.