By
Двигатели с постоянными магнитами использовать постоянные магниты для создания магнитного поля, устраняя необходимость в катушке возбуждения или токе. Характеризуется высоким эффективность и простой дизайн, эти двигатели известны своими энергосберегающими качествами. Действительно, разработка двигателей с постоянными магнитами прошла долгий путь, отражающий значительные достижения с течением времени.
Процесс разработки
Эволюция двигателей с постоянными магнитами неразрывно связана с развитием материалов для постоянных магнитов. Китай является первой страной, которая признала и практически применила магнитные свойства таких материалов. Более 2,000 лет назад эти свойства были использованы для создания компасов, которые оказали глубокое влияние на навигацию и военную стратегию, а также на другие области. Это нововведение считается одним из четырех великих изобретений древнего Китая.
Первый в мире электродвигатель появился в 1820-х годах. Фактически, этот двигатель представляет собой двигатель с постоянными магнитами. Его магнитное поле создается постоянными магнитами. Но на самом деле эта технология на время исчезла и до последних лет не получила широкого распространения. Потому что материалом постоянного магнита, использовавшимся в то время, был природный магнетит. Плотность магнитной энергии этого магнетита была особенно низкой. Использование его для изготовления моторов делает моторы особенно большими. Из-за своей низкой практичности двигатели с постоянными магнитами постепенно заменялись двигателями с электрическим возбуждением. Его развитие также на некоторое время застопорилось. Но некоторые ученые считали, что необходимость в изучении двигателей с постоянными магнитами все еще существует, поэтому, в то время как другие меняют области, небольшое количество людей остается глубоко вовлеченным в эту область.
Поскольку различные типы двигателей продолжали быстро развиваться и были изобретены современные намагничители, исследователи провели обширные исследования механизма, состава и технологии производства материалов с постоянными магнитами. Это привело к открытию ряда материалов для постоянных магнитов, включая углеродистую сталь, вольфрамовую сталь и кобальтовую сталь. Примечательно, что магнитные свойства постоянных магнитов AlNiCo, появившихся в 1930-х годах, и ферритовых постоянных магнитов, появившихся в 1950-х годах, были значительно улучшены. В результате возбуждение постоянными магнитами стало широко использоваться в различных микро- и небольших двигателях. Выходная мощность двигателей с постоянными магнитами колеблется от нескольких милливатт до десятков киловатт, и они широко используются в военном, промышленном, сельскохозяйственном производстве и в повседневной жизни. Таким образом, производство двигателей с постоянными магнитами резко возросло. В этот период также наблюдался значительный прогресс в теории проектирования, методах расчета, намагничивании и технологии производства двигателей с постоянными магнитами. В это время был создан набор аналитических и исследовательских методологий, таких как метод рабочих диаграмм постоянного магнита.
Однако низкая коэрцитивная сила постоянных магнитов AlNiCo и низкая плотность остаточной намагниченности ферритовых постоянных магнитов ограничивают область их применения в двигателях. До 1960-х и 1980-х годов редкоземельные постоянные магниты на основе кобальта и постоянные магниты на основе неодима, железа и бора (оба вместе именуемые редкоземельными постоянными магнитами) появлялись один за другим. Их высокая плотность остаточной намагниченности, высокая коэрцитивная сила, высокая магнитная энергия и превосходные магнитные свойства линейной кривой размагничивания особенно подходят для производства двигателей, что выводит развитие двигателей с постоянными магнитами в новый исторический период.
Характеристики двигателей с постоянными магнитами
По сравнению с традиционными двигателями с электрическим возбуждением двигатели с постоянными магнитами включают в себя:
1. Простая конструкция и надежная работа.
2. Малый размер и легкий вес
3. Низкие потери и высокая эффективность
4. Гибкие и универсальные формы и размеры двигателей.
Таким образом, диапазон применения двигателей с постоянными магнитами чрезвычайно широк и охватывает практически все области аэрокосмической отрасли, такие как национальная оборона, промышленное и сельскохозяйственное производство и повседневная жизнь. Ниже приведены основные характеристики нескольких типичных двигателей с постоянными магнитами и их основные области применения.
По сравнению с традиционными генераторами, генераторы с редкоземельными постоянными магнитами не требуют контактных колец и щеточных устройств. Синхронный генератор с постоянными магнитами имеет простую конструкцию и снижает интенсивность отказов. Использование редкоземельных постоянных магнитов также позволяет увеличить магнитную плотность воздушного зазора, скорость двигателя до оптимального значения и улучшить соотношение мощности и массы. Почти во всех современных авиационных и аэрокосмических генераторах используются генераторы с редкоземельными постоянными магнитами. Типичными продуктами компании являются 150-полюсные синхронные генераторы с редкоземельными и кобальтовыми постоянными магнитами мощностью 14 кВА, 12 000 об/мин ~ 21 000 об/мин и 100 кВА, 60 000 об/мин, изготовленные компанией General Electric Company в США.
Генераторы с постоянными магнитами также используются в качестве вспомогательных возбудителей для больших турбогенераторов. В 1980-х годах Китай успешно разработал крупнейшие в мире вспомогательные возбудители с редкоземельными постоянными магнитами мощностью от 40 до 160 кВА, оснащенные турбогенераторами мощностью от 200 до 600 МВт. После этого надежность работы электростанции значительно повысилась. В настоящее время постепенно продвигаются небольшие генераторы с приводом от двигателей внутреннего сгорания для независимых источников энергии, генераторы с постоянными магнитами для транспортных средств и небольшие ветряные турбины с постоянными магнитами, приводимые непосредственно ветряными колесами.
Применение в различных областях
1. Энергосберегающие редкоземельные двигатели с постоянными магнитами в основном предназначены для потребления, например, в текстильной, химической, нефтяной, горнодобывающей и других областях. Синхронные двигатели с редкоземельными постоянными магнитами используются в угольных шахтах для транспортировки оборудования и привода различных насосов и вентиляторов.
2. Сервосистема переменного тока двигателя с редкоземельными постоянными магнитами представляет собой современное мехатронное оборудование, состоящее из электронной высокопроизводительной системы управления скоростью. Электродвигатели с редкоземельными постоянными магнитами представляют собой многообещающую высокотехнологичную отрасль со значительным потенциалом роста.
3. Еще одной новой областью является использование различных микродвигателей постоянного тока с редкоземельными постоянными магнитами для поддержки новых систем управления частотой вращения кондиционеров и холодильников. Бесщеточные двигатели постоянного тока с редкоземельными постоянными магнитами представляют собой приборы различной мощности, и спрос на такие двигатели также велик.
Редкоземельные материалы с постоянными магнитами предлагают значительные преимущества в аэрокосмической отрасли и играют решающую роль в развитии аэрокосмической промышленности. Хотя двигатели с редкоземельными постоянными магнитами уже используются в некоторых аэрокосмических приложениях, таких как регулирование напряжения генератора и защита от короткого замыкания, ученые единодушно согласны с тем, что эти двигатели представляют собой жизненно важное направление для разработки аэрокосмических двигателей следующего поколения.
Технические трудности, с которыми сталкиваются двигатели с постоянными магнитами
1.Высокая цена на материалы с постоянными магнитами.
Стоимость материалов для постоянных магнитов часто составляет более 50% от общей стоимости материала. Материалы с постоянными магнитами требуют редкоземельных ресурсов. В большинстве стран редкоземельные элементы представляют собой чрезвычайно дефицитный ресурс с высокими ценами и небольшими количествами. Большая часть редкоземельных материалов в мире экспортируется из Китая.
2. Явление размагничивания.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены необратимому размагничиванию при воздействии суровых условий, таких как высокие температуры и частые вибрации. Факторы, способствующие размагничиванию, включают высокую рабочую температуру двигателя, повышенную температуру окружающей среды и накопление тепла. После размагничивания производительность двигателя значительно снижается, что делает его потенциально непригодным для использования. Чтобы смягчить магнитную деградацию во время эксплуатации, один из подходов предполагает решение этой проблемы в корне путем разработки новых высокотермостойких и магнитных постоянных магнитов NdFeB. Другая стратегия заключается в усовершенствовании технологии защиты от размагничивания. Например, интеграция обнаружения нагрузки, снижение максимальной нагрузки, внедрение улучшенных мер по рассеиванию тепла и минимизация частых запусков — все это может помочь решить эту проблему.
3. Технология управления
Из-за явления «постоянного магнита» в синхронном двигателе с постоянными магнитами чрезвычайно сложно регулировать его магнитное поле извне. Для современного синхронного двигателя с постоянными магнитами идея управления заключается не в управлении магнитным полем, а только в управлении якорем. Синхронный двигатель с постоянными магнитами управляется с помощью комбинации электронных устройств и микрокомпьютерного управления. Обеспечьте более точное управление положением, скоростью и крутящим моментом.
Помимо проблем, обсуждавшихся ранее, Синхронные двигатели с постоянными магнитами сталкиваются с рядом технических препятствий, которые требуют дальнейшего внимания и инноваций. Эти проблемы включают в себя уязвимость к перебоям в подаче электроэнергии, ограничения в достижении высоких скоростей и трудности с запуском двигателя. Решение этих проблем имеет решающее значение для раскрытия всего потенциала PMSM и максимизации их полезности в различных приложениях.
Одной из основных технических проблем, с которыми сталкиваются PMSM, является их уязвимость к перебоям в подаче электроэнергии. В отличие от традиционных асинхронных двигателей, которые могут продолжать работать даже при отсутствии питания, PMSM полагаются на внешний источник питания для поддержания возбуждения магнитного поля. В случае отключения электроэнергии СДСМ могут прекратить работу, что приведет к сбоям в критически важных процессах и системах.
Чтобы смягчить влияние перебоев в подаче электроэнергии на работу СДСМ, исследователи изучают инновационные решения, такие как системы хранения энергии и резервные источники питания. Интеграция аккумуляторных батарей или конденсаторов в системы PMSM может обеспечить временное электроснабжение во время перебоев в работе, обеспечивая непрерывную работу и сводя к минимуму время простоя. Кроме того, достижения в области силовой электроники и алгоритмов управления могут повысить устойчивость СИМП к колебаниям и перебоям в питании.
Еще одна техническая проблема, связанная с PMSM, — это присущие им ограничения в достижении высоких скоростей. Хотя PMSM обладают такими преимуществами, как высокая плотность крутящего момента и эффективность, им может быть сложно 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.
Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают новые конструкции роторов, современные материалы и инновационные методы охлаждения, чтобы улучшить скоростные возможности СДСМ. Оптимизируя конструкцию ротора и снижая инерцию вращения, инженеры могут улучшить отзывчивость и производительность СДСМ на повышенных скоростях. Кроме того, достижения в области магнитных материалов и систем терморегулирования могут помочь снизить перегрев и механические напряжения, связанные с работой на высоких скоростях.
Запуск двигателя представляет собой еще одну техническую проблему для СДСМ, особенно в приложениях, где требуется точный контроль и синхронизация. В отличие от асинхронных двигателей, которые могут самозапускаться при подключении к источнику питания, PMSM требуют внешних управляющих сигналов для инициирования вращения. Эта зависимость от внешних сигналов управления может усложнить процедуры запуска двигателя и увеличить сложность системы.
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.
Несмотря на технические проблемы, с которыми сталкиваются PMSM, мы твердо верим в дальнейшее развитие технологии двигателей с постоянными магнитами. Поскольку исследователи и инженеры продолжают расширять границы инноваций, мы ожидаем значительных прорывов в преодолении ключевых технических препятствий и открытии новых возможностей для PMSM в различных отраслях.
Преодолевая такие проблемы, как уязвимость к перебоям в подаче электроэнергии, ограничения в достижении высоких скоростей и трудности с запуском двигателя, PMSM могут еще больше повысить удобство и эффективность человеческого производства и повседневной жизни. Благодаря совместным усилиям и постоянным исследованиям мы уверены, что PMSM будут играть все более заметную роль в обеспечении будущего технологий и промышленности.
