PMSM 効率の最大化: ローター マグネット アセンブリのガイド

永久磁石同期モーター (PMSM) の場合、ローター マグネット アセンブリの構成は、トルク リップル、逆起電力波形、全体の効率に直接影響します。{0}表面実装永久磁石 (SPM) ローターは、より高いエアギャップ磁束密度を提供しますが、高速での磁気漏れに悩まされます。一方、内部永久磁石 (IPM) ローターは、機械的堅牢性とリラクタンス トルクへの貢献を提供しますが、磁束の相殺を避けるために正確な磁石の配置が必要です。間違ったローター構造または磁石の向きを選択すると、一般的な産業用ドライブ用途ではモーター効率が 5 ～ 12% 低下します。次のエンジニアリング ガイドでは、SPM 設計と IPM 設計を比較し、トルク出力に対する磁化方向の影響について説明し、FEA が磁極ピッチを最適化する方法を示します。

SPMロータはロータ外周に磁石が接着または保持されています。この設計により、有効エアギャップ領域が大きくなり、磁石体積当たりの高い磁束が生成されます。 SPM は、サーボ モーターや直接駆動風力タービンなどの高トルク密度アプリケーションに適しています。-ただし、カーボンファイバースリーブまたはインコネル保持リングを使用しない限り、高 RPM (10,000 rpm 以上) での遠心力によって表面磁石が外れる可能性があります。

IPM ローターは、ローター積層スタックの内側に磁石を埋め込みます。磁石は遠心力から機械的に保護されているため、IPM は高速トラクション モーター（15,000-20,000 rpm）に適しています。-さらに、磁石間のローター鉄は、Ld と Lq のインダクタンスの差によりリラクタンス トルクを生成し、同じ磁石体積の SPM と比較して全体のトルク出力が 20 ～ 35% 向上します。トレードオフ: IPM アセンブリはより複雑になり、熱サイクル下での磁石の動きを防ぐために正確なスロット充填とエポキシ含浸が必要になります。

磁気漏れにより、エアギャップを通過する実効磁束が減少します。 SPM ローターでは、磁石とバック アイアン間の距離が小さすぎる場合、主にローターのバック アイアンを通じて漏れが発生します。---。漏れを総磁束の 5% 未満に抑えるには、ローター直径 50 mm に対してバック アイアンの最小厚さ 5 ～ 8 mm が一般的です。

IPM ローターでは、漏れ経路がより複雑です。磁束がローター ブリッジを介して隣接する磁石スロット間で短絡する可能性があります。{0}ブリッジの厚さは最適化する必要があります。30 mm スタックの場合、ブリッジが 1.5 mm より薄いと機械的破損の危険がありますが、ブリッジが 2.5 mm より厚いと漏れが 10 ～ 15% 増加します。バランスを見つけるには FEA シミュレーションが必要です。当社の標準 IPM 設計は、漏れ係数 (σ) 1.2 ～ 1.3 を目標としています。

ローター表面に対する磁化の方向が磁束経路を定義します。 SPM ローターの場合、ラジアル磁化 (ローターの半径に沿って外側を向いた磁気ベクトル) が標準であり、正弦波の逆起電力を生成します。-。ただし、平行磁化 (すべてのベクトルが互いに平行) では、台形の磁束分布が作成され、トルク リップルが 8-12% 増加しますが、非正弦波ドライブではピーク トルクを 5 ～ 7% 改善できます。

IPM ローターの場合、磁化方向は q- 軸 (磁束バリア配列) に平行にすることも、20-30 度の角度で V- 型にすることもできます。磁石角度が 120 ～ 130 度の V- 形状の IPM ローターは、最も高いリラクタンス トルクの寄与を生み出し、部分負荷での効率を向上させます。多極磁化 (8 極、12 極、16 極) によりステータ ヨークの厚さは減少しますが、磁石のアセンブリの複雑さは増加します。特定のフレーム サイズの場合、ポール数を 8 から 16 に増やすとバック​​ アイアンの重量が約 30% 削減されますが、組み立て公差が 0.2 ～ 0.3 mm 厳しくなる必要があります。

磁極ピッチ (磁極アークに対する各磁石の角度幅) によって磁束分布の形状が決まります。極ピッチが広すぎると、隣接する極間のギャップが減少し、磁束漏れが増加します。磁極ピッチが狭すぎると、全磁束が減少します。表面実装 NdFeB 磁石の最適な磁極ピッチは、通常、磁極の円弧の 70 ～ 80% です。{3}

有限要素解析 (FEA) 磁気シミュレーションを使用して、以下を評価します。

定格負荷時の磁束密度と過負荷（電流の2倍）の関係

最高温度での減磁リスク (Hcj ディレーティングを使用)

コギングトルク振幅 (サーボモーターの定格トルクの目標 < 3%)

当社は、磁束線プロット、エアギャップ磁束密度高調波（FFT 解析）、トルク角度曲線などの FEA レポートをお客様に提供しています。{0}このデータにより、モーター メーカーは工具を用意する前に固定子巻線と積層構造の設計を最終決定することができます。

カスタムの磁石形状（円弧セグメント、台形ブロック）、または接着剤を事前に塗布した完全な磁石アセンブリを必要とする PMSM ローター メーカーについては、当社のウェブサイトのローター マグネット アセンブリのページをご覧ください。{0}}正弦波、ハルバッハ、セグメント スキューなどの磁化パターンをサポートし、トルク リップルを低減します。

定格速度、周囲温度、目標効率クラス (IE4/IE5) などのモーター仕様について話し合うには、当社の技術チームにお問い合わせください。グレードの選択 (N35UH、N42SH、N48H) と FEA 消磁検証を提供します。

Q: 10kW 産業用サーボモーター用に SPM ローター設計と IPM ローター設計のどちらを選択すればよいですか?
A: 6000 rpm 未満の速度と低トルク リップル要件の場合、N42SH 磁石を使用した SPM が費用対効果が高くなります。- 8000 rpm を超える速度または広い定出力範囲の場合は、高速での磁石の取り外しを避けるために、N35UH 磁石を備えた IPM を選択してください。-

Q: PMSM ローター アセンブリで許容される一般的な磁石の厚さの変化はどれくらいですか?
A: 厚さの許容差: SPM セグメントの場合は ±0.05mm、IPM インサートの場合は ±0.03mm。変動が大きくなると、エアギャップの非対称性が生じ、不均衡な磁力と振動が増加します。

Q: IPM ローターの腐食防止のためにエポキシ コーティングを施した磁石アセンブリを提供できますか?
A: はい。各磁石にNi-Cu-Ni（10～20μm）またはエポキシ（20～40μm）を塗布します。 IPM ローターの場合、磁石の端に厚さ 100 ～ 200 μm のエポキシ コーティングが施され、スロットの充填が改善され、磁石と積層間の導電接触が防止されます。