W ostatnich latach gwałtownie wzrosło zastosowanie silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PM) w pojazdach elektrycznych. Dzieje się tak głównie dlatego, że PMSM mogą osiągać wyższe prędkości niż konwencjonalne silniki indukcyjne prądu przemiennego. Jednak wysoka prędkość działania PMSM stwarza więcej wyzwań w zakresie projektowania elektromagnetycznego, zarządzania termicznego i struktury mechanicznej. Aby poprawić wydajność i gęstość mocy PMSM, opracowano szereg technik. Obejmują one optymalizację strat rdzenia żelaznego, poprawę intensywności indukcji magnetycznej i składowych harmonicznych w różnych pozycjach rdzenia żelaznego, zmniejszenie zużycia miedzi poprzez przyjęcie toroidalnej struktury uzwojenia oraz zminimalizowanie liczby zwojów na uzwojeniu końcowym.
Najważniejszym wyzwaniem w rozwoju szybkich PMSM jest zmniejszenie strat żelaznego rdzenia wirnika. W tym celu zaproponowano różne środki, takie jak regulacja szerokości otwarcia żłobka stojana, optymalizacja dopasowania bieguna do żłobka, zastosowanie skośnego żłobka i magnetycznego klina żłobka [1]. Jednak metody te mogą jedynie osłabić straty prądów wirowych w wirniku, ale nie mogą ich całkowicie zmniejszyć. Ponadto wymagają skomplikowanych i kosztownych systemów sterowania.
Kolejną ważną kwestią jest poprawa stabilności PMSM przy dużych prędkościach. W tym celu skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie łożysk bezstykowych. Wśród nich najbardziej obiecujące są łożyska powietrzne i magnetyczne lewitujące. W porównaniu do łożysk kulkowych, te łożyska bezstykowe mogą podtrzymywać wirnik przy znacznie mniejszej masie i pracować z większymi prędkościami. Mimo to ich koszt jest wciąż zaporowy.
Aby jeszcze bardziej zmniejszyć straty w żelazie wirnika PMSM, konieczna jest optymalizacja parametrów instalacji magnesów trwałych. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie nowej metody analizy i optymalizacji rozkładu prądów wirowych w obwodach magnetycznych. Metoda ta wykorzystuje połączenie modelu elementów skończonych i uproszczonego modelu fizycznego. Otrzymany model jest odpowiedni do obliczania pola temperatury dwuwarstwowej HSPMM typu V w różnych warunkach.
W przeciwieństwie do wcześniejszych badań, które skupiały się na zmianie konstrukcji wirnika i stojana lub trybie chłodzenia w celu obniżenia temperatury pracy HSPMM, metoda ta nie wymaga żadnych zmian konstrukcyjnych. Koncentruje się również na zmniejszeniu strat miedzi i żelaza poprzez modyfikację parametrów instalacji magnesów trwałych. Ponadto wyniki tej metody zostały zweryfikowane poprzez porównanie modeli elektromagnetycznych HSPMM z modelami ETCM. Jak pokazano na ryc. 7, dokładność zbieżności między FEA i MEC wynosi powyżej 0,95, co oznacza, że ta metoda może zaoszczędzić wiele czasu w procesie obliczeń elektromagnetycznych HSPMM. Dodatkowo zbieżna dokładność została również zweryfikowana z wynikami eksperymentalnymi modelu testowego. Wyniki te wskazują, że zaproponowana w artykule metoda ETCM oraz metoda optymalizacji pola temperaturowego są niezawodne i wydajne.
Producenci magnesów neodymowo-żelazowo-borowych
