PMSM
Jak działa
Uzwojenie trójfazowe stojana zasilane z falownika wytwarza wirujące pole magnetyczne. Magnesy trwałe wirnika „zaczepiają się" o to pole i obracają synchronicznie z jego częstotliwością. Sterownik FOC mierzy pozycję wirnika (enkoder, resolver lub czujniki Halla) i za pomocą transformacji Clarke'a i Parka przekształca prądy fazowe do wirującego układu współrzędnych d-q, rozprzęgając składową momentotwórczą (iq) od strumieniotwórczej (id). Regulatory PI utrzymują zadane prądy, a modulacja (np. SVPWM) steruje tranzystorami falownika. Utrzymanie id≈0 maksymalizuje moment na amper; wymuszenie ujemnego id pozwala osłabiać pole i rozszerzać zakres prędkości powyżej prędkości bazowej.
Rozwiązany problem
Eliminuje mechaniczny komutator i szczotki znane z silników DC, usuwając ich zużycie i iskrzenie, a jednocześnie, dzięki sinusoidalnej SEM i sterowaniu FOC, redukuje tętnienie momentu typowe dla prostszej komutacji sześciokrokowej (BLDC). Zapewnia precyzyjną, dynamiczną regulację momentu i prędkości wymaganą w serwonapędach i aktuatorach robotów.
Komponenty
Wirnik z magnesami trwałymi (zwykle NdFeB lub ferrytowymi) umieszczonymi na powierzchni (SPMSM) lub we wnętrzu (IPMSM). Wariant IPMSM daje dodatkowy moment reluktancyjny.
Nieruchome uzwojenie trójfazowe zasilane sinusoidalnymi prądami, którego pole wiruje z częstotliwością zasilania i pociąga za sobą wirnik.
Enkoder, resolver lub czujniki Halla mierzące kąt i prędkość wirnika; dokładność pozycji jest kluczowa dla transformacji Parka i jakości momentu. Istnieją też metody bezczujnikowe (sensorless).
Trójfazowy falownik tranzystorowy z regulatorami prądu PI i modulacją (np. SVPWM), realizujący sterowanie polowo-zorientowane rozprzęgające moment i strumień.
Implementacja
FOC wymaga dokładnej znajomości kąta wirnika; błąd kalibracji enkodera lub przesunięcie fazowe pogarsza sprawność, zwiększa tętnienie momentu i może prowadzić do utraty synchronizmu.
Wysoka temperatura lub nadmierny prąd osłabiający pole (ujemne id) mogą nieodwracalnie zdemagnetyzować magnesy, zwłaszcza NdFeB o niższej odporności termicznej.
Ewolucja
R.H. Park publikuje dwuosiową (d-q) teorię maszyn synchronicznych, która stała się matematyczną podstawą analizy i sterowania wektorowego silników PMSM.
Felix Blaschke formułuje zasadę orientacji polowej dla maszyn prądu przemiennego, umożliwiając rozprzęgnięte sterowanie momentem i strumieniem silników PMSM.
Opracowanie magnesów Nd-Fe-B o wysokiej gęstości energii (Sagawa/Sumitomo oraz niezależnie General Motors) umożliwiło budowę kompaktowych silników PMSM o wysokiej gęstości momentu.