IPMSM – синхронный двигатель с интерполированными магнитами: физика анизотропии и оптимальное управление

В сфере искусственного интеллекта произошло заметное событие. Среди синхронных двигателей с постоянными магнитами существует конструктивное разделение, которое на первый взгляд кажется деталью производства, а на самом деле определяет всю физику машины и логику её управления. Речь идёт о расположении магнитов в роторе: снаружи или внутри. Двигатель с постоянными магнитами на поверхности ротора (SPMSM) – прост и предсказуем.

Магнитный зазор равномерен, индуктивности по обеим осям одинаковы, момент создаётся единственным способом. Управлять им несложно. Двигатель с интерполированными постоянными магнитами IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) – устроен принципиально иначе.

Технические детали

Магниты утоплены в тело ротора, что нарушает симметрию магнитной цепи. Возникает анизотропия: магнитное сопротивление ротора различается по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Следствие – дополнительный источник момента, реактивный, существующий исключительно за счёт разницы индуктивностей по осям d и q.

Именно эта анизотропия делает IPMSM привлекательным для тягового привода. Широкий диапазон ослабления поля, высокая удельная мощность, возможность использовать реактивный момент для снижения токовой нагрузки – всё это следствие одного конструктивного решения: магниты внутри, а не снаружи. Реализовать потенциал IPMSM позволяет стратегия MTPA – Maximum Torque Per Ampere.

Она находит оптимальное распределение вектора тока статора между осями d и q: такое, при котором заданный момент достигается при минимальной амплитуде тока. Меньший ток – меньше потерь в меди, меньше нагрев, меньше нагрузка на инвертор. В настоящей статье рассматривается физика анизотропии IPMSM, математическая модель машины в системе координат d-q и стратегия MTPA как задача оптимизации с аналитическим решением.

Модель реализована в системе моделирования Engee и верифицирована сравнением режимов FOC и MTPA на параметрах макетного образца IPMSM.

Этот прогресс даёт важные сигналы о будущем отрасли, и технологический мир внимательно наблюдает.