By
Двигатели с постоянными магнитами полагаются на постоянные магниты для генерации своего магнитного поля. Им не требуется катушка возбуждения или ток. Эти двигатели известны своими эффективность и простота конструкции. Они считаются энергосберегающими двигателями. Двигатели с постоянными магнитами прошли долгий процесс разработки, который отражает значительные улучшения за эти годы.
Процесс разработки
Эволюция двигателя с постоянными магнитами тесно связана с разработкой материала постоянного магнита. Китай стал первой страной, которая осознала, а также применила магнитные свойства этого вида материала на практике. Более 2,000 лет назад было осуществлено внедрение свойств в приложения компаса, имеющие большое значение, включая навигацию и военную стратегию среди других. Это считается одним из четырех великих изобретений древнего Китая.
Первый электродвигатель в мире появился в 1820-х годах. Этот двигатель — двигатель с постоянными магнитами. Магнитное поле такого типа двигателя создается постоянными магнитами. Однако эта технология на некоторое время исчезла и получила широкое развитие только в последние годы. Поскольку материалом для постоянных магнитов, который использовался в то время, был природный магнетит, его плотность магнитной энергии была особенно низкой. Использование его для изготовления двигателей делает двигатели особенно большими. Из-за их низкой практичности двигатели с постоянными магнитами постепенно заменялись двигателями с электрическим возбуждением. Его развитие также на некоторое время застопорилось. Однако некоторые ученые считают, что все еще существует необходимость в изучении двигателей с постоянными магнитами, поэтому, пока другие меняют области, небольшое количество людей остается глубоко вовлеченным в эту область.
В то время как все виды двигателей быстро развивались, и в то же время, когда были изобретены текущие намагничиватели, исследователи широко изучали механизм, состав и технологию производства материалов постоянных магнитов. В результате был открыт ряд материалов постоянных магнитов, таких как углеродистая сталь, вольфрамовая сталь и кобальтовая сталь. В частности, магнитные свойства постоянного магнита AlNiCo, изобретенного в 1930-х годах, и ферритового постоянного магнита, изобретенного в 1950-х годах, были значительно улучшены, поэтому метод возбуждения постоянного магнита был широко принят для различных микро- и малых двигателей. Двигатели с постоянными магнитами широко используются в военном, промышленном, сельскохозяйственном производстве и повседневной жизни, с выходной мощностью от нескольких милливатт до десятков киловатт. Поэтому производство двигателей с постоянными магнитами резко возросло. В этот период теория проектирования, методы расчета, намагничивание и технология производства двигателей с постоянными магнитами также были значительно улучшены. В этот период был разработан ряд аналитических и исследовательских методов, включая метод рабочей диаграммы постоянного магнита.
Однако из-за низкой коэрцитивной силы постоянных магнитов AlNiCo и низкой остаточной плотности ферритовых постоянных магнитов их область применения в двигателях была весьма ограничена. До 1960-х и 1980-х годов один за другим появлялись серии редкоземельных постоянных магнитных материалов, включая редкоземельные кобальтовые постоянные магниты и неодимовые железо-боровые постоянные магниты. Они обладают высокой остаточной плотностью и коэрцитивной силой, высоким магнитным энергетическим произведением и превосходными магнитными свойствами линейной кривой размагничивания, особенно подходящими для производства двигателей, продвигая двигатели с постоянными магнитами в новый исторический период.
Характеристики двигателей с постоянными магнитами
По сравнению с традиционными электродвигателями возбуждения двигатели с постоянными магнитами включают в себя:
Область применения очень обширна. Можно сказать, что во всех областях аэрокосмические ведомства включают национальную оборону, промышленное и сельскохозяйственное производство, а также жизнь людей. Ниже приведены основные характеристики нескольких типичных двигателей с постоянными магнитами и их основные области применения.
По сравнению с обычными генераторами генератор на редкоземельных постоянных магнитах не имеет контактных колец и щеточного устройства. Структура синхронного генератора на постоянных магнитах проста, а частота отказов снижена. Используя редкоземельные постоянные магниты, можно увеличить плотность магнитного зазора, а также скорость двигателя до оптимального значения для улучшения соотношения мощности к массе. Генераторы на редкоземельных постоянных магнитах используются практически во всех современных авиационных и аэрокосмических генераторах. Их типичная продукция — синхронные генераторы на редкоземельных кобальтовых постоянных магнитах мощностью 150 кВА, 14-полюсные, 12 000 об/мин ~ 21 000 об/мин, и 100 кВА, 60 000 об/мин, производимые компанией General Electric Company в США.
Генераторы с постоянными магнитами также используются в качестве вспомогательных возбудителей для крупных турбогенераторов. Самый большой в мире возбудитель с постоянными магнитами из редкоземельных металлов мощностью от 40 кВА до 160 кВА был успешно разработан для турбогенераторов мощностью 200 МВт ~ 600 МВт в 1980-х годах. С тех пор надежность работы электростанций значительно повысилась. В настоящее время постепенно продвигаются небольшие генераторы, приводимые в действие двигателями внутреннего сгорания для независимых источников питания, генераторы с постоянными магнитами для транспортных средств и небольшие ветряные турбины с постоянными магнитами, приводимые в действие непосредственно ветряными колесами.
Применение в различных областях
3. Другая новая область — использование различных микродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами из редкоземельных металлов для поддержки новых систем управления частотой вращения для кондиционеров и холодильников. Бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами из редкоземельных металлов — это приборы с различной мощностью, и спрос на такие двигатели также велик.
Редкоземельные постоянные магнитные материалы имеют большие преимущества в аэрокосмической отрасли и имеют большое значение для развития аэрокосмической промышленности. Редкоземельные постоянные магнитные двигатели использовались в некоторых областях аэрокосмической отрасли, таких как регулирование напряжения генератора и защита от короткого замыкания, но ученые во всем мире единогласно считают, что редкоземельные постоянные магнитные двигатели являются одним из основных направлений для разработки следующего поколения аэрокосмических двигателей.
Технические трудности, с которыми сталкиваются двигатели с постоянными магнитами
1.Высокая цена на материалы с постоянными магнитами.
Стоимость материала постоянного магнита часто составляет более 50% всех материальных затрат. Материал постоянного магнита нуждается в редкоземельных ресурсах. В большинстве стран редкоземельные элементы считаются чрезвычайно бедным минеральным ресурсом с высокими ценами и малым количеством. Большая часть продукции из редкоземельных материалов в мире экспортируется из Китая.
2. Явление размагничивания
Двигатели с постоянными магнитами всегда подвержены опасности необратимого размагничивания в неблагоприятных условиях высоких температур и частых механических вибраций. Факторами, способствующими размагничиванию, являются высокая рабочая температура двигателя, повышение температуры окружающей среды и накопление тепла. Как только это происходит, производительность резко снижается, и двигатель становится практически бесполезным. Чтобы уменьшить магнитную деградацию во время рабочего процесса, один из них заключается в исследовании и разработке ряда высокотемпературных и высокомагнитных постоянных магнитных материалов NdFeB, чтобы решить проблему с самого начала; другой — в продвижении технологии антиразмагничивания. Например, это может быть реализовано путем обнаружения нагрузки, снижения максимальной нагрузки, улучшения мер по рассеиванию тепла и сокращения частых запусков.
3. Технология управления
Из-за явления «постоянного магнита» в синхронном двигателе с постоянными магнитами очень сложно регулировать его магнитное поле извне. Для приложений синхронного двигателя с постоянными магнитами в настоящее время идея управления заключается не в осуществлении управления магнитным полем, а только в управлении якорем. Синхронный двигатель с постоянными магнитами управляется электронными устройствами в координации с управлением микрокомпьютера. Достичь точного управления положением, скоростью и крутящим моментом.
Помимо проблем, обсуждавшихся выше, возникает еще несколько серьезных технических трудностей. Синхронные двигатели с постоянными магнитами которые требуют дальнейшего внимания и инноваций. Такие трудности включают восприимчивость к отключениям электроэнергии, невозможность достичь очень высоких скоростей и проблемный запуск двигателя. Решение таких проблем важно для раскрытия полного потенциала PMSM и максимизации их полезности в различных приложениях.
Подверженность перебоям в подаче электроэнергии является одной из основных технических проблем, с которыми сталкиваются PMSM. В то время как асинхронные двигатели обычно продолжают работать без подачи на них электроэнергии, PMSM всегда требуют внешнего источника питания для возбуждения магнитного поля. В случае отключения электроэнергии PMSM могут просто перестать работать, тем самым нарушая критические процессы и системы.
Некоторые из методов, которые можно использовать для снижения влияния отключений электроэнергии на работу PMSM, — это системы хранения энергии и резервные источники питания. Интеграция батареи или конденсатора с системой PMSM позволит ей поддерживать электроснабжение в течение некоторого времени в случае отключения, обеспечивая дальнейшую работу и сокращая период простоя. Кроме того, укрепление силовой электроники и алгоритмов управления повышает устойчивость PMSM к колебаниям и прерываниям питания.
Еще одной технической проблемой, связанной с PMSM, является их неотъемлемое ограничение на высоких скоростях. Хотя PMSM имеют некоторые благоприятные характеристики, такие как высокая плотность крутящего момента и эффективность, они могут быть не способны работать на сверхвысоких скоростях из-за таких факторов, как инерция ротора и центробежные силы. Это ограничение накладывает ограничения на приложения, требующие быстрого ускорения и замедления или высокоскоростной работы.
Для решения этой проблемы рассматриваются инновационные конструкции роторов, передовые материалы и инновационные методы охлаждения для улучшения скоростных возможностей PMSM. Благодаря оптимизированной конструкции ротора снижение инерции вращения позволяет инженерам дополнительно повысить отзывчивость и производительность на повышенных скоростях. Кроме того, дальнейшее развитие магнитных материалов и систем терморегулирования может быть использовано для снижения перегрева и механических напряжений при высокоскоростной работе.
Другая техническая проблема в PMSM связана с процессом запуска. При запуске, для приложений, требующих точности в управлении и синхронизации, PMSM сталкивается с другой технической проблемой. В отличие от асинхронного двигателя, который запускается сам после подключения к источнику питания, PMSM нуждается в некоторых внешних управляющих сигналах извне для начала вращения. Это увеличит сложность системы, особенно во время запуска процесса работы двигателя.
Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают инновационные стратегии управления и методы запуска двигателей без датчиков для СДСМ. Внедряя передовые алгоритмы и сенсорные технологии, инженеры могут разрабатывать надежные и надежные процедуры запуска, которые сводят к минимуму зависимость от внешних сигналов управления. Кроме того, достижения в области проектирования и изготовления двигателей могут повысить эффективность и результативность последовательностей запуска двигателей, оптимизируя операции и улучшая общую производительность системы.
Мы действительно убеждены, что, несмотря на эти технические проблемы, усовершенствование технологии двигателей с постоянными магнитами будет преобладать. Учитывая темпы, с которыми инновационные идеи предлагаются и тестируются исследователями и инженерами, можно ожидать замечательных достижений в преодолении некоторых основных технических проблем и открытии перспектив для новых применений PMSM в различных отраслях промышленности.
Если бы проблемы уязвимости к отключениям электроэнергии, ограничения в достижении высоких скоростей и проблемного запуска двигателя были решены, PMSM сделали бы жизнь человека и производство еще более комфортными и эффективными. Мы легко предсказываем, благодаря этому сотрудничеству и постоянным исследованиям, что двигатели PMSM вскоре сыграют большую роль в обеспечении энергией технологий и отраслей.
