มอเตอร์แม่เหล็กถาวรช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำในอุตสาหกรรม

มอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อนชีวิตของอุตสาหกรรมสมัยใหม่ และในบรรดามอเตอร์เหล่านั้น มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) กำลังปรากฏเป็นโซลูชันที่เหนือกว่าในหลายภาคส่วน พวกมันให้อะไรได้เปรียบกว่ามอเตอร์แบบดั้งเดิม? การออกแบบอันชาญฉลาดอะไรซ่อนอยู่ภายในโครงสร้างของพวกมัน? กลยุทธ์การควบคุมแบบใดที่ทำให้พวกมันโดดเด่น? บทความนี้ให้การวิเคราะห์ที่ครอบคลุมเกี่ยวกับโครงสร้าง PMSM หลักการทำงาน วิธีการควบคุม และการใช้งาน

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) เป็นมอเตอร์ซิงโครนัสชนิดหนึ่งที่สนามแม่เหล็กกระตุ้นถูกจัดหาโดยแม่เหล็กถาวร เมื่อเทียบกับมอเตอร์ซิงโครนัสที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิม PMSM จะกำจัดความจำเป็นในการพันขดลวดกระตุ้นและแหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติม ส่งผลให้โครงสร้างมีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น เมื่อเทียบกับมอเตอร์เหนี่ยวนำ PMSM ให้ความหนาแน่นของพลังงาน อัตราส่วนแรงบิดต่อความเฉื่อย และความแม่นยำในการควบคุมที่สูงกว่า ทำให้เหมาะสำหรับไดรฟ์เซอร์โวประสิทธิภาพสูง รถยนต์ไฟฟ้า การผลิตพลังงานลม และการใช้งานอื่นๆ

PMSM ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน: สเตเตอร์และโรเตอร์ ในขณะที่โครงสร้างพื้นฐานคล้ายกับมอเตอร์ซิงโครนัสทั่วไป การออกแบบโรเตอร์แสดงถึงนวัตกรรมหลักของพวกมัน

สเตเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่อยู่กับที่ของ PMSM ส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกนสเตเตอร์และการพันสเตเตอร์ แกนสเตเตอร์มักจะถูกเคลือบจากแผ่นเหล็กซิลิคอนเพื่อลดการสูญเสียเหล็ก การพันสเตเตอร์ถูกฝังอยู่ในช่องของแกนสเตเตอร์ ทำให้เกิดการพัน AC หลายเฟส โดยมีการกำหนดค่าสองเฟสและสามเฟสเป็นเรื่องปกติที่สุด ตามการกระจายการพัน การพันสเตเตอร์สามารถจัดเป็น:

การพันแบบกระจายมีหลายช่องต่อขั้วต่อเฟส (Q=2,3,...k) ข้อได้เปรียบของพวกมันอยู่ที่การปราบปรามฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ แม้ว่าความซับซ้อนในการผลิตจะเพิ่มขึ้นก็ตาม

การพันแบบเข้มข้นใช้หนึ่งช่องต่อขั้วต่อเฟส (Q=1) แม้ว่าจะผลิตได้ง่ายกว่า แต่ก็สร้างเนื้อหาฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น ซึ่งต้องใช้มาตรการเพิ่มเติมในการปราบปรามฮาร์มอนิก

โรเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่หมุนได้ มีแม่เหล็กถาวรเป็นนวัตกรรมหลัก ตามตำแหน่งแม่เหล็ก PMSM จะถูกจัดประเภทเป็น:

ใน SPMSM แม่เหล็กจะถูกติดตั้งโดยตรงบนพื้นผิวโรเตอร์ การออกแบบนี้สร้างสนามแม่เหล็กช่องว่างอากาศเกือบเป็นไซน์และทำให้การออกแบบพารามิเตอร์การเหนี่ยวนำง่ายขึ้น แต่ต้องทนทุกข์ทรมานจากความแข็งแรงทางกลที่ต่ำกว่าและความเปราะบางของแม่เหล็กต่ออิทธิพลของช่องว่างอากาศ

IPMSM ฝังแม่เหล็กไว้ภายในโรเตอร์ ซึ่งให้ความแข็งแรงทางกลที่เหนือกว่าและความสามารถในการใช้แรงบิดรีลัคแตนซ์เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของแรงบิด มีการจัดเรียงแม่เหล็กภายในต่างๆ รวมถึงแบบชั้นเดียว หลายชั้น และแบบ V

การจำแนกประเภทเพิ่มเติมตามอัตราส่วนความโดดเด่นจะแบ่ง PMSM ออกเป็น:

• PMSM ขั้วเด่น: ที่ซึ่งการเหนี่ยวนำแกนตรง (Ld) แตกต่างจากการเหนี่ยวนำแกนกำลังสอง (Lq)
• PMSM ขั้วไม่เด่น: ที่ซึ่ง Ld เท่ากับ Lq

PMSM ทำงานผ่านปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์และสนามแม่เหล็กถาวรของโรเตอร์ เมื่อกระแส AC หลายเฟสแบบสมมาตรไหลผ่านการพันสเตเตอร์ จะสร้างสนามแม่เหล็กหมุน สนามหมุนของโรเตอร์จะซิงโครไนซ์กับสนามหมุนนี้ ทำให้เกิดแรงบิดที่ขับเคลื่อนการหมุน การทำงานแบบซิงโครนัสเกิดขึ้นเมื่อความเร็วโรเตอร์ตรงกับความเร็วการหมุนของสนามสเตเตอร์

คล้ายกับมอเตอร์เหนี่ยวนำ กระแส AC สามเฟสในการพันสเตเตอร์ PMSM จะสร้างสนามแม่เหล็กหมุน ความเร็วในการหมุนของสนามขึ้นอยู่กับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟและคู่ขั้วสเตเตอร์:

n = 60f / p

โดยที่ n คือความเร็วในการหมุน (รอบต่อนาที) f คือความถี่ (เฮิรตซ์) และ p คือจำนวนคู่ขั้ว

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กถาวรของโรเตอร์และสนามหมุนของสเตเตอร์ทำให้เกิดแรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้า ขนาดแรงบิดขึ้นอยู่กับความแรงของสนาม ความสัมพันธ์เชิงมุม และพารามิเตอร์โครงสร้างของมอเตอร์ SPMSM ส่วนใหญ่สร้างแรงบิดแม่เหล็กถาวร ในขณะที่ IPMSM สร้างทั้งแรงบิดแม่เหล็กถาวรและแรงบิดรีลัคแตนซ์เนื่องจากการออกแบบขั้วเด่น

การควบคุม PMSM มีวัตถุประสงค์เพื่อควบคุมความเร็ว แรงบิด และตำแหน่งอย่างแม่นยำ เนื่องจากลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้นและมีการเชื่อมต่อกันอย่างมาก การควบคุม PMSM จึงมีความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร วิธีการควบคุมทั่วไป ได้แก่:

วิธีง่ายๆ นี้ควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยรักษาอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าต่อความถี่ให้คงที่ แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพด้านต้นทุน แต่ก็ให้ความแม่นยำและประสิทธิภาพแบบไดนามิกที่จำกัด ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง

เทคนิคขั้นสูงนี้แยกกระแสสเตเตอร์ออกเป็นส่วนประกอบการกระตุ้นและแรงบิดเพื่อการควบคุมที่เป็นอิสระ FOC ให้ความแม่นยำสูงและการตอบสนองแบบไดนามิก แต่ต้องใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการแปลงพิกัดและการระบุพารามิเตอร์

ใช้อินพุตฟลักซ์โรเตอร์เป็นข้อมูลอ้างอิง วิธีนี้จะแยกกระแสสเตเตอร์ออกเป็นส่วนประกอบแกน d และแกน q เพื่อการควบคุมการกระตุ้นและแรงบิดแยกกัน ทำให้สามารถตอบสนองแรงบิดได้อย่างรวดเร็ว แต่ต้องใช้ข้อมูลตำแหน่งโรเตอร์ที่แม่นยำ

รูปแบบนี้ใช้ฟลักซ์สเตเตอร์เป็นข้อมูลอ้างอิง โดยจะกำจัดการพึ่งพาตำแหน่งโรเตอร์โดยตรง แต่เพิ่มความซับซ้อนของอัลกอริทึม

DTC ควบคุมแรงบิดโดยตรงโดยการควบคุมเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้าสเตเตอร์เพื่อให้ตรงกับค่าแรงบิดและฟลักซ์อ้างอิง แม้ว่าจะมีโครงสร้างที่เรียบง่ายพร้อมไดนามิกที่ยอดเยี่ยม แต่ก็สร้างระลอกแรงบิดที่สำคัญซึ่งต้องใช้มาตรการบรรเทา

การกำจัดเซ็นเซอร์ตำแหน่งช่วยลดต้นทุนและความซับซ้อน เทคนิคทั่วไปแบบไร้เซ็นเซอร์ ได้แก่:

วิธีนี้ประมาณตำแหน่งโรเตอร์จากการสังเกต Back-EMF แต่มีปัญหาที่ความเร็วต่ำเนื่องจากแอมพลิจูดสัญญาณขนาดเล็กที่ไวต่อการรบกวนของสัญญาณรบกวน

ด้วยการฉีดสัญญาณความถี่สูงและตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงการเหนี่ยวนำที่เกิดจากผลกระทบของความโดดเด่น วิธีนี้ใช้ได้ดีสำหรับ IPMSM แต่ต้องการความถี่ในการสลับที่สูงขึ้น

ใช้สำหรับ PMSM ที่มี Back-EMF แบบสี่เหลี่ยมคางหมู วิธีง่ายๆ นี้สร้างระลอกแรงบิดที่สำคัญ การใช้งานแบบวงปิดต้องใช้เซ็นเซอร์ Hall สำหรับการตอบสนองตำแหน่ง

เมื่อเทียบกับมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบดั้งเดิม PMSM ให้:

การกำจัดกระแสกระตุ้นช่วยลดการสูญเสีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้ภาระเบา การศึกษาแสดงให้เห็นว่า PMSM มีประสิทธิภาพสูงกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำประสิทธิภาพระดับพรีเมียม (IE3) ประมาณ 2% ภายใต้สภาวะที่เทียบเคียงได้

แม่เหล็กถาวรพลังงานสูงช่วยให้สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งขึ้นภายในขนาดที่กะทัดรัด ทำให้ส่งกำลังได้มากขึ้นต่อหน่วยปริมาตร

การออกแบบโรเตอร์ที่กะทัดรัดที่มีความเฉื่อยต่ำช่วยอำนวยความสะดวกในการทำงานแบบสตาร์ท-สต็อปและการเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว ช่วยเพิ่มการตอบสนองแบบไดนามิก

วิธีการควบคุมขั้นสูง เช่น FOC และ DTC ช่วยให้ควบคุมความเร็ว แรงบิด และตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ ตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันเซอร์โว

PMSM เก่งในหลากหลายสาขา:

เหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อน EV PMSM ช่วยเพิ่มระยะทางและการเร่งความเร็ว ผู้ผลิตรายใหญ่ เช่น Tesla และ BYD ได้นำเทคโนโลยีนี้มาใช้

กังหันลม PMSM แบบไดรฟ์โดยตรงช่วยกำจัดกระปุกเกียร์ ลดการสูญเสียทางกลและการบำรุงรักษา ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ในฐานะส่วนประกอบหลักในระบบเซอร์โวประสิทธิภาพสูง PMSM ตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมและเครื่องมือเครื่องจักร CNC

PMSM ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องปรับอากาศ อินเวอร์เตอร์ เครื่องซักผ้า และตู้เย็น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในขณะที่ลดเสียงรบกวนและยืดอายุการใช้งาน

ด้วยประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของพลังงาน และความแม่นยำในการควบคุมที่เหนือกว่า PMSM แสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีมอเตอร์ ในขณะที่วัสดุแม่เหล็กถาวรและอัลกอริทึมการควบคุมยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง แอปพลิเคชันจะขยายออกไปอีกในด้านการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้า การผลิตอัจฉริยะ และการบินและอวกาศ การวิจัยอย่างต่อเนื่องในการออกแบบมอเตอร์ กลยุทธ์การควบคุม และเทคนิคแบบไร้เซ็นเซอร์สัญญาว่าจะขับเคลื่อนการพัฒนา PMSM อย่างต่อเนื่อง