История развития двигателя с постоянными магнитами
Разработка двигателей с постоянными магнитами тесно связана с разработкой материалов с постоянными магнитами. Китай является первой страной в мире, которая открыла магнитную особенность материалов с постоянными магнитами и применила ее на практике. Более 2,000 лет назад Китай использовал магнитные свойства постоянных магнитов для изготовления компаса. Роль стала одним из четырех главных изобретений древнего Китая.
Первым в мире двигателем в 1920-х годах был двигатель с постоянными магнитами, генерирующий магнитное поле с помощью постоянного магнита. Однако материалом для постоянных магнитов, использовавшимся в то время, была природная магнитная руда (Fe3O4). Плотность магнитной энергии была очень низкой. Изготовленный с его помощью двигатель был большим и вскоре был заменен двигателем возбуждения.
В связи с необходимостью быстрого развития различных двигателей и изобретения современных магнитных зарядных устройств люди провели углубленные исследования механизма, состава и технологии производства материалов с постоянными магнитами и открыли углеродистую сталь и вольфрамовую сталь (максимум накопленная магнитная энергия около 2.7 кДж/м3) Различные материалы с постоянными магнитами, такие как кобальтовая сталь (максимальная накопленная магнитная энергия около 7.2 кДж/м3). В 1930-х годах, особенно в 85-х годах, постоянные магниты алюминий-никель-кобальт (максимальное накопление магнитной энергии 3 кДж/м40) и постоянный магнит ферритового постоянного магнита (максимальное накопление магнитной энергии может достигать 3 кДж/м1950), а также магнитные Производительность значительно улучшилась, а в различных микро- и небольших двигателях используются постоянные магниты. Мощность двигателя с постоянными магнитами составляет от миллилиллионов до нескольких десятков ватт. Он широко используется в промышленном и сельскохозяйственном производстве, а также в повседневной жизни, а объем производства резко увеличился. Соответственно, в этот период также достигнут прорывной прогресс в теории проектирования, методах расчета, зарядке мощности и технологии производства двигателя с постоянными магнитами, а также сформирован комплекс методов анализа и исследования, представленный методом интерпретации карты постоянного магнита. Однако упорная сила постоянного магнита алюминия, никеля, кобальта (36 ~ 160 кА/м), остаточная магнитная плотность постоянного магнита железа и кислорода невелика (0.2 ~ 0.44 т), что ограничивает диапазон их применения в двигателе. . До 1960-х и 1980-х годов редкоземельные постоянные магниты на основе кобальта и постоянные магниты на основе железа и бора (оба вместе именуемые редкоземельными постоянными магнитами) появлялись один за другим. Превосходные магнитные свойства особенно подходят для производства двигателей, поэтому разработка двигателей с постоянными магнитами вступила в новый исторический период.
Характеристики и применение двигателя с постоянными магнитами
По сравнению с традиционным электромагнитным двигателем двигатель с постоянными магнитами, особенно двигатель с постоянными магнитами из редкоземельных металлов, имеет простую конструкцию, надежную работу, небольшой объем, качество света, небольшие потери, высокую эффективность, форма и размер двигателя могут быть гибкими и гибкими. разнообразный. Таким образом, сфера применения чрезвычайно широка и охватывает практически все области промышленного и сельскохозяйственного производства, а также повседневной жизни. Вот основные характеристики нескольких типичных двигателей с постоянными магнитами и основные области их применения.
1. Синхронный генератор с редкоземельными постоянными магнитами не требует коллекторного кольца и щеточного устройства по сравнению с традиционным генератором. Структура проста и снижает интенсивность отказов. Благодаря редкоземельному постоянному магниту он также может увеличить магнитную герметичность воздушного зазора, увеличить скорость до оптимального значения и повысить коэффициент качества мощности. Почти все современные авиационные и аэрокосмические генераторы используют редкоземельные генераторы с постоянными магнитами. Генератор с постоянными магнитами также использовался в качестве дополнительной стимулирующей машины для больших генераторов паровых колес. В настоящее время постепенно продвигаются небольшой генератор с двигателем внутреннего сгорания, генератор с постоянными магнитами и авангардный небольшой воздушный генератор с постоянными магнитами с прямым приводом для независимого источника питания.
2. По сравнению с индуктивным двигателем, для эффективного синхронного двигателя с постоянными магнитами нет необходимости иметь ток стимулирования мощности, что может значительно улучшить коэффициент мощности (может достигать 1, даже мощность), уменьшить потери тока статора и статора. Сопротивление, и нет потребления меди ротора во время стабильной работы, и это может уменьшить вентилятор (двигатель небольшой мощности может даже удалить вентилятор) и соответствующие потери на ветер. Эффективность может увеличиться на 2–8 процентных пунктов по сравнению с датчиком той же спецификации. Кроме того, синхронный двигатель с постоянными магнитами может поддерживать более высокий КПД и коэффициент мощности в диапазоне от 25% до 120% номинальной нагрузки, что делает ежедневный эффект энергии более значительным во время работы при небольшой нагрузке. В двигателях этого типа обычно на роторе устанавливается пусковая обмотка, которая имеет возможность запускаться непосредственно при определенной частоте и напряжении. В настоящее время он в основном используется на нефтяных месторождениях, в текстильной промышленности, производстве химических волокон, в производстве керамического стекла и в вентиляторных насосах с длительным годовым сроком службы.
Китай независимо разработал высокоэффективный синхронизирующий двигатель с постоянными магнитами, который может решить проблему «большая лошадь управляет маленькой машиной» при эксплуатации нефтяных месторождений. Пусковой момент на 50–100 % больше, чем у асинхронного двигателя. Индуктивный двигатель составляет около 20%.
Вращение нагрузки в текстильной промышленности, связанной с химическими волокнами, велико и требует высокого крутящего момента. Разумно спроектируйте коэффициент утечки пустой нагрузки, коэффициент выпуклости, сопротивление ротора, размер постоянного магнита и витки обмотки статора синхронного двигателя с постоянными магнитами, что может улучшить входные характеристики двигателя с постоянными магнитами и продвигать его к новому типу текстильной и химической промышленности. волоконная промышленность.
Сотни киловатт мощности в молочной, нефтяной, химической и других отраслях используются сотнями киловаттных вентиляторов и насосных двигателей класса Muwa. Повышайте эффективность и коэффициент мощности, экономьте энергию и повышайте надежность работы.
3. Серводвигатель переменного тока с постоянными магнитами и бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами теперь все чаще используют инверторный источник питания и электродвигатель переменного тока для замены системы регулирования скорости двигателя постоянного тока. В двигателе переменного тока скорость синхронного двигателя с постоянными магнитами поддерживает постоянную связь с частотой сети при стабильной работе, поэтому ее можно использовать непосредственно для системы регулирования скорости преобразования частоты, которую можно использовать для размыкания контура. Этот тип двигателя обычно запускается с постепенного увеличения частоты инвертора. Его можно установить на ротор без установки пусковой обмотки, а щетка и направляющая сохраняются для удобства обслуживания.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами инвертора и система управления положением ротора с обратной связью представляют собой самосинхронный двигатель с постоянными магнитами. Он не только обладает превосходными характеристиками регулирования скорости электродвигателя постоянного тока, но также работает безщеточно. Он в основном используется для обеспечения высокой точности управления и высокой надежности, например, в авиации, аэрокосмической отрасли, станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах, роботах, электромобилях, компьютерном периферийном оборудовании и т. д.
Был разработан синхронный двигатель и система привода с постоянными магнитами NdFEB с широким диапазоном скоростей и высоким передаточным отношением постоянной мощности. Передаточное число достигает 1:22,500 9, а предельная скорость достигает 000 XNUMX об/мин. Синхронный двигатель с постоянными магнитами является наиболее идеальным двигателем для электромобилей, станков и других приводных устройств из-за его высокой эффективности, низкой вибрации, низкого уровня шума и высокой плотности крутящего момента.
С постоянным улучшением уровня жизни людей требования к бытовой технике становятся все выше и выше. Например, бытовые кондиционеры являются не только потребляемой мощностью, но и основным источником шума, и тенденция их развития заключается в использовании бесщеточных двигателей постоянного тока с постоянными магнитами, которые могут бесступенчато регулировать скорость. Он может автоматически настраивать соответствующую скорость в течение длительного времени в зависимости от изменения температуры в помещении, снижать шум и вибрацию, заставлять людей чувствовать себя более комфортно, а также экономить 1/3, чем кондиционер без регулирования скорости. Другие, такие как холодильники, стиральные машины, пылесборники, вентиляторы и т. д., также постепенно переходят на бесщеточные двигатели постоянного тока.
4. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами после использования возбуждения постоянными магнитами не только сохраняет хорошие характеристики регулирования скорости и механические характеристики двигателя постоянного тока с электрическим возбуждением, но также имеет простую структуру, небольшой объем, меньше меди, высокую эффективность из-за устранение обмотки возбуждения и потерь возбуждения. Поэтому двигатели постоянного тока с постоянными магнитами широко используются в бытовой технике, портативном электронном оборудовании, электроинструментах и прецизионных системах передачи скорости и положения, требующих хороших динамических характеристик. В микродвигателях постоянного тока мощностью менее 500 Вт доля двигателей с постоянными магнитами составляет 92%, а на двигатели с постоянными магнитами мощностью менее 10 Вт приходится более 99%.
В настоящее время автомобильная промышленность Китая быстро развивается, автомобильная промышленность является крупнейшим пользователем двигателя с постоянными магнитами, двигатель является ключевой частью автомобиля, суперроскошным автомобилем, различные варианты использования двигателя до более чем 70 комплектов. , большинство из которых представляют собой низковольтные микродвигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Стартер для автомобилей и мотоциклов с использованием постоянного магнита NdFeb и замедляющей планетарной передачи позволяет уменьшить массу стартера вдвое.
Классификация двигателей с постоянными магнитами
Существует много видов двигателей с постоянными магнитами. В зависимости от функции двигателя можно грубо разделить генератор с постоянными магнитами и двигатель с постоянными магнитами на две категории.
Двигатель с постоянными магнитами можно разделить на двигатель постоянного тока с постоянными магнитами и двигатель переменного тока с постоянными магнитами. Двигатель переменного тока с постоянными магнитами представляет собой многофазный синхронный двигатель с ротором с постоянными магнитами, поэтому его часто называют синхронным двигателем с постоянными магнитами (PMSM).
Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом, если нет электрической драмы и коллектора, который нужно разделить. Его можно разделить на бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами и бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (BLDC).
В современном мире теория и технология современной силовой электроники активно развиваются. Силовые электронные устройства, такие как MOSFET, IGBT, MCT и т. д., продолжают выходить, а устройства управления претерпели принципиальные изменения. С тех пор, как Ф. Бласкеке предложил принцип векторного управления двигателем переменного тока в 1971 году, развитие технологии векторного управления открыло новую эру управления сервоприводами переменного тока, а постоянное внедрение различных высокопроизводительных микропроцессоров еще больше ускорило развитие сервоприводов переменного тока. системы для замены сервосистем постоянного тока. Замена сервосистемы постоянного тока стала неизбежной тенденцией. Тем не менее, синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) с синусоидальным обратным потенциалом и бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) с трапециевидным обратным потенциалом станут основным направлением разработки высокопроизводительных сервосистем переменного тока из-за их превосходных характеристик.
Меры предосторожности, связанные с двигателем с постоянными магнитами
1. Структура магнитной цепи и расчет конструкции.
Чтобы в полной мере раскрыть магнитные свойства различных материалов с постоянными магнитами, особенно превосходные магнитные свойства редкоземельных постоянных магнитов, и создать экономичные двигатели с постоянными магнитами, невозможно просто применить методы расчета конструкции и конструкции, традиционные двигатели с постоянными магнитами или двигатели с электрическим возбуждением, а также необходимо разработать новые концепции проектирования для повторного анализа и улучшения структуры магнитной цепи. Благодаря быстрому развитию компьютерного оборудования и технологий программного обеспечения, а также постоянному совершенствованию современных методов проектирования, таких как численный расчет электромагнитного поля, оптимизация проектирования и технологии моделирования, благодаря совместным усилиям академических и инженерных кругов был достигнут прорывной прогресс. в теории проектирования, методе расчета, конструкции процесса и технологии управления двигателем с постоянными магнитами. Сформирован и постоянно совершенствуется полный комплекс методов анализа и исследования и программного обеспечения для автоматизированного анализа и проектирования, сочетающихся с численным расчетом электромагнитного поля и аналитическим решением эквивалентной магнитной цепи.
2. Проблемы контроля
После того, как двигатель с постоянными магнитами изготовлен, он может поддерживать свое магнитное поле без внешней энергии, но это также чрезвычайно затрудняет настройку и управление его магнитным полем извне. Генератору с постоянными магнитами трудно регулировать выходное напряжение и коэффициент мощности извне, а двигатель постоянного тока с постоянными магнитами больше не может регулировать свою скорость путем изменения возбуждения. Это ограничивает диапазон применения двигателей с постоянными магнитами. Однако с быстрым развитием силовых электронных устройств и технологий управления, таких как MOSFET и IGBT, большинство двигателей с постоянными магнитами можно использовать без управления магнитным полем и только с управлением якорем. Необходимо объединить в конструкции три новые технологии редкоземельных материалов с постоянными магнитами, силовые электронные устройства и микрокомпьютерное управление, чтобы двигатель с постоянными магнитами мог работать в новых условиях.
3. Проблема необратимого размагничивания.
Если конструкция или использование неправильны, двигатель с постоянными магнитами имеет слишком высокую (постоянный магнит NdFeb) или слишком низкую (постоянный ферритовый магнит) температуру, под действием реакции якоря, создаваемой ударным током, или в условиях сильной механической вибрации, это может привести к привести к необратимому размагничиванию или потере магнетизма, в результате чего производительность двигателя снизится или его вообще невозможно будет использовать. Поэтому необходимо исследовать и разработать методы и устройства, подходящие для производителей двигателей, для проверки термической стабильности материалов постоянных магнитов, а также для анализа способности к размагничиванию различных структурных форм, чтобы принять соответствующие меры для обеспечения Магнитный двигатель не теряет магнетизма при проектировании и изготовлении.
4. Стоить
Ферритовый двигатель с постоянными магнитами, особенно двигатель постоянного тока с микропостоянными магнитами, широко используется из-за своей простой конструкции и процесса, уменьшенной массы и более низкой общей стоимости, чем двигатель с электрическим возбуждением. Поскольку текущая цена редкоземельного постоянного магнита все еще относительно высока, стоимость двигателя с редкоземельными постоянными магнитами обычно выше, чем стоимость двигателя с электрическим возбуждением, что должно быть компенсировано его высокой производительностью и экономией эксплуатационных расходов. В некоторых случаях, например, в двигателе звуковой катушки дисковода компьютера, производительность постоянного магнита Ndfeb улучшается, объемная масса значительно уменьшается, а общая стоимость снижается. При проектировании необходимо решить, стоит ли выбирать в соответствии с производительностью и ценой в соответствии с конкретными случаями и требованиями использования, а также провести инновации и оптимизацию конструкции процесса конструкции для снижения затрат.
