Entendes realmente o deseño dos imáns permanentes dos motores de imán permanente?

O desenvolvemento de motores de imán permanente está estreitamente relacionado co desenvolvemento de materiais de imán permanente.
O desenvolvemento de motores de imán permanente está estreitamente relacionado co desenvolvemento de materiais de imán permanente. O meu país é o primeiro país do mundo en descubrir as propiedades magnéticas dos materiais de imán permanente e aplicalas á práctica. Hai máis de dous mil anos, o noso país utilizou as propiedades magnéticas dos materiais de imán permanente para fabricar unha brúxula, que xogou un papel enorme na navegación, no exército e noutros campos. Converteuse nun dos catro grandes inventos do antigo meu país.

O primeiro motor do mundo que apareceu na década de 1820 foi un motor de imán permanente cun campo magnético de excitación xerado por un imán permanente. Non obstante, o material de imán permanente empregado naquel momento era a magnetita natural (Fe3O4), que ten unha densidade de enerxía magnética moi baixa, e o motor fabricado con ela era voluminoso, polo que axiña foi substituído por un motor de excitación eléctrico.

Co rápido desenvolvemento de diversos motores e a invención dos magnetizadores actuais, a xente levou a cabo investigacións en profundidade sobre o mecanismo, a composición e a tecnoloxía de fabricación dos materiais de imáns permanentes, e descubriu sucesivamente o aceiro ao carbono e o aceiro de tungsteno (o produto de enerxía magnética máxima é duns 2.7 kJ/m3), o aceiro ao cobalto (o produto de enerxía magnética máxima é duns 7.2 kJ/m3) e outros materiais de imáns permanentes. En particular, os imáns permanentes de AlNiCo que apareceron na década de 1930 (o produto de enerxía magnética máxima pode alcanzar os 85 kJ/m3) e os imáns permanentes de ferrita que apareceron na década de 1950 (o produto de enerxía magnética máxima agora pode alcanzar os 40 kJ/m3) teñen diversas propiedades magnéticas. Coa gran mellora, varios micro e pequenos motores utilizaron a excitación de imáns permanentes. A potencia dos motores de imáns permanentes é tan pequena como uns poucos milivatios e tan grande como decenas de quilovatios. Son amplamente utilizados na produción militar, industrial e agrícola e na vida cotiá, e a produción aumentou drasticamente. En consecuencia, durante este período, fixéronse avances na teoría do deseño, o método de cálculo, a magnetización e a tecnoloxía de fabricación de motores de imáns permanentes, e formouse un conxunto de métodos de análise e investigación representados polo diagrama de funcionamento dos imáns permanentes. Non obstante, a coercividade dos imáns permanentes de AlNiCo é baixa (36-160 kA/m) e a densidade de remanencia dos imáns permanentes de ferrita non é alta (0.2-0.44 T), o que limita a súa aplicación en motores. Ata as décadas de 1960 e 1980, apareceron sucesivamente imáns permanentes de cobalto de terras raras e imáns permanentes de neodimio ferro boro (ambos denominados conxuntamente imáns permanentes de terras raras), coa súa alta densidade de remanencia, alta coercividade, alto produto de enerxía magnética e curva de desmagnetización lineal. As excelentes propiedades magnéticas do motor de imán permanente son especialmente axeitadas para a fabricación de motores eléctricos, polo que o desenvolvemento de motores de imán permanente entrou nun novo período histórico.

Material de imán permanente

Imáns de motor: Os materiais de imáns permanentes que se usan habitualmente nos motores inclúen imáns sinterizados e imáns unidos, os principais tipos son AlNiCo, ferrita, samario-cobalto, NdFeB, etc.
AlNiCo: O material de imán permanente AlNiCo é o material de imán permanente máis antigo de uso común, e o seu proceso de preparación e tecnoloxía son relativamente maduros. Na actualidade, hai fábricas no Xapón, Estados Unidos, Europa, Rusia e China. Entre as empresas de produción a grande escala, a produción de imán permanente de Hangzhou é actualmente a primeira da China, cunha capacidade de produción anual de 3,000 toneladas.

Material de ferrita con imán permanente: na década de 1950, a ferrita comezou a florecer. Especialmente na década de 1970, púxose en produción en grandes cantidades a ferrita de estroncio, que ten un mellor rendemento en forza coercitiva e máquina de enerxía magnética, e o uso da ferrita con imán permanente ampliouse rapidamente. Como material magnético non metálico, a ferrita non ten as desvantaxes da fácil oxidación, a baixa temperatura de Curie e o alto custo dos materiais metálicos con imán permanente, polo que é moi popular.

Material de samario-cobalto: un material magnético permanente con excelentes propiedades magnéticas que xurdiu a mediados da década de 1960 e o seu rendemento é moi estable. O samario-cobalto é especialmente axeitado para a fabricación de motores en termos de propiedades magnéticas, pero debido ao seu alto prezo, utilízase principalmente na investigación e desenvolvemento de motores de aviación, aeroespacial, armas e outros motores militares e motores de alto rendemento en campos de alta tecnoloxía onde o prezo non é o factor principal.

Material NdFeB: o material magnético NdFeB é unha aliaxe de neodimio, óxido de ferro, etc., tamén coñecido como aceiro magnético. Ten un produto de enerxía magnética e unha forza coercitiva extremadamente altos e, ao mesmo tempo, as vantaxes da alta densidade de enerxía fan que os materiais magnéticos permanentes NdFeB sexan amplamente utilizados na industria moderna e na tecnoloxía electrónica. É posible reducir o tamaño, o peso e o grosor. Debido a que contén moito neodimio e ferro, é fácil de oxidar. A pasivación química superficial é unha das mellores solucións na actualidade.

A relación entre o rendemento do aceiro magnético e o rendemento do motor

1. Influencia do magnetismo residual

Para os motores de corrente continua, cos mesmos parámetros de enrolamento e condicións de proba, canto maior sexa a remanencia, menor será a velocidade sen carga e menor a corrente sen carga; canto maior sexa o par máximo, maior será a eficiencia no punto de maior eficiencia. Na proba real, o nivel de velocidade sen carga e o tamaño do par máximo úsanse xeralmente para xulgar o estándar de remanencia do aceiro magnético.

Para os mesmos parámetros de enrolamento e parámetros eléctricos, canto maior sexa a remanencia, menor será a velocidade sen carga e menor será a corrente sen carga, porque o motor en marcha xera suficiente inductancia inversa a unha velocidade relativamente baixa. Xera unha tensión que fai que a suma alxébrica da forza electromotriz aplicada ao enrolamento diminúa.

2. A influencia da coercividade

No proceso de funcionamento do motor, sempre existe a influencia da temperatura e da desmagnetización inversa. Desde a perspectiva do deseño do motor, canto maior sexa a forza coercitiva, menor pode ser a dirección do grosor do aceiro magnético, e canto menor sexa a forza coercitiva, maior será a dirección do grosor do aceiro magnético. Non obstante, despois de que o aceiro magnético supere unha determinada forza coercitiva, deixa de ser útil, porque outros compoñentes do motor non poden funcionar de forma estable a esa temperatura. A coercividade só precisa cumprir os requisitos, e o estándar é cumprir os requisitos nas condicións experimentais recomendadas, e non hai necesidade de malgastar recursos.

3. O efecto da cadradura

A cadradura só afecta á rectitude da curva de eficiencia da proba de rendemento do motor. Aínda que a rectitude da curva de eficiencia do motor non se incluíu como un estándar de índice importante, é moi importante para a distancia de continuación do motor de roda en condicións naturais de estrada. Debido ás diferentes condicións da estrada, o motor non sempre pode funcionar no punto de máxima eficiencia, o que é unha das razóns polas que a eficiencia máxima dalgúns motores non é alta e a distancia de continuación é longa. Un bo motor de roda non só debe ter unha eficiencia máxima alta, senón que a curva de eficiencia tamén debe ser o máis nivelada posible, e canto menor sexa a pendente da redución da eficiencia, mellor. Isto converterase gradualmente nun estándar importante a medida que maduren o mercado, a tecnoloxía e os estándares dos motores de roda.

4. O impacto da consistencia do rendemento

Remanencia inconsistente: Non é boa, mesmo se existen algunhas individuais con rendemento particularmente alto. Debido á inconsistencia do fluxo magnético de cada segmento de campo magnético unidireccional, o par é asimétrico e prodúcese a vibración.

Forza coercitiva inconsistente: en particular, a forza coercitiva dos produtos individuais é demasiado baixa, o que fai que se produza unha desmagnetización inversa, o que resulta nun fluxo magnético inconsistente de cada aceiro magnético e fai que o motor vibre. Este efecto é máis pronunciado para os motores sen escobillas.

Influencia da forma e a tolerancia do imán no rendemento do motor

1. A influencia do grosor do aceiro magnético

Cando o circuíto magnético interno ou externo está fixo, ao aumentar o grosor, o entreferro diminúe e o fluxo magnético efectivo aumenta. O resultado obvio é que a velocidade sen carga e a corrente sen carga diminúen co mesmo magnetismo residual, o que reduce a eficiencia máxima do motor. Non obstante, tamén hai aspectos negativos, como o aumento da vibración de conmutación do motor e a curva de eficiencia relativamente máis pronunciada do motor. Polo tanto, o grosor dos imáns do motor debe ser o máis consistente posible para reducir a vibración.

2. A influencia da anchura do aceiro magnético

Para os imáns de motor sen escobillas compactos, a separación total acumulada non pode superar os 0.5 mm. Se é demasiado pequena, non se poderá instalar. Se é demasiado grande, provocará vibracións no motor e unha eficiencia reducida. Isto débese á posición e ao magnetismo. A posición real do aceiro non se corresponde e débese garantir a consistencia da anchura; se non, o motor terá baixa eficiencia e grandes vibracións.

Para os motores con escobillas, hai un certo espazo entre os imáns, que se reserva para a zona de transición de conmutación mecánica. Aínda que hai un espazo, a maioría dos fabricantes teñen procedementos estritos de instalación do aceiro magnético para garantir a precisión da instalación e así asegurar a posición de instalación precisa do imán do motor. Se o ancho do aceiro magnético supera, non se instalará; se o ancho do aceiro magnético é demasiado pequeno, o posicionamento do aceiro magnético estará desalineado, a vibración do motor aumentará e a eficiencia diminuirá.

3. A influencia do tamaño do biselado do aceiro magnético e da non biselado

Se o ángulo non está biselado, a taxa de cambio do campo magnético no bordo do campo magnético do motor é grande, o que provoca a vibración do pulso do motor. Canto maior sexa o ángulo de biselado, menor será a vibración. Non obstante, o biselado xeralmente ten unha certa perda de fluxo magnético. Para algunhas especificacións, cando o biselado alcanza 0.8, a perda de fluxo magnético é de 0.5 a 1.5 %. Cando a remanencia do motor con escobillas é baixa, reducir adecuadamente o tamaño do biselado é beneficioso para compensar a remanencia, pero a vibración do pulso do motor aumenta. En xeral, cando a remanencia é baixa, a tolerancia na dirección da lonxitude pódese ampliar adecuadamente, o que pode mellorar o fluxo magnético efectivo ata certo punto e facer que o rendemento do motor non experimente cambios significativos.

Precaucións para motores de imán permanente

1. Estrutura e cálculo do deseño dun circuíto magnético

Para aproveitar plenamente as propiedades magnéticas de varios materiais de imáns permanentes, especialmente as excelentes propiedades magnéticas dos imáns permanentes de terras raras, e para fabricar motores de imáns permanentes rendibles, os métodos de cálculo da estrutura e o deseño dos motores de imáns permanentes tradicionais ou dos motores de excitación eléctrica non se poden aplicar de xeito sinxelo. Débese establecer un novo concepto de deseño e a estrutura do circuíto magnético debe reanalizarse e mellorarse. Co rápido desenvolvemento da tecnoloxía de hardware e software informático, así como a mellora continua dos métodos de deseño modernos, como o cálculo numérico do campo electromagnético, o deseño de optimización e a tecnoloxía de simulación, a través dos esforzos conxuntos dos círculos académicos e de enxeñaría de motores eléctricos, utilizouse amplamente na teoría do deseño. Fixéronse avances importantes nos métodos de cálculo, a tecnoloxía estrutural e a tecnoloxía de control, etc., e formáronse un conxunto de métodos de análise e investigación e software de análise e deseño asistido por ordenador que combinan o cálculo numérico do campo electromagnético e a solución analítica de circuítos magnéticos equivalentes, e están a mellorar constantemente.

2. Cuestións de control

O motor de imán permanente pode manter o seu campo magnético sen enerxía externa, pero tamén fai que sexa extremadamente difícil axustar e controlar o seu campo magnético desde o exterior. É difícil para o xerador de imán permanente axustar a súa tensión de saída e o factor de potencia desde o exterior e o motor de CC de imán permanente xa non pode axustar a súa velocidade cambiando o método de excitación. Isto limita o rango de aplicación dos motores de imán permanente. Non obstante, co rápido desenvolvemento de dispositivos electrónicos de potencia e tecnoloxías de control como MOSFET e IGBT, a maioría dos motores de imán permanente pódense usar sen control de campo e só con control de armadura. Ao deseñar, é necesario combinar tres novas tecnoloxías de materiais de imán permanente de terras raras, dispositivos electrónicos de potencia e control por microordenador, para que o motor de imán permanente poida funcionar en novas condicións de traballo.

3. O problema da desmagnetización irreversible

Se o deseño ou o uso son inadecuados, o motor de imán permanente estará baixo a acción da reacción da armadura causada pola corrente de irrupción cando a temperatura sexa demasiado alta (imán permanente de NdFeB) ou demasiado baixa (imán permanente de ferrita), ou cando haxa vibracións mecánicas severas. É posible provocar unha desmagnetización irreversible ou perda de magnetización, o que reducirá o rendemento do motor e mesmo o fará inutilizable. Polo tanto, é necesario investigar e desenvolver métodos e dispositivos para comprobar a estabilidade térmica dos materiais de imán permanente axeitados para os fabricantes de motores e analizar as capacidades antidesmagnetización de diversas formas estruturais, para tomar as medidas correspondentes para garantir que durante o deseño e a fabricación os motores de imán permanente non perdan o seu magnetismo.

4. Problemas de custos

Os motores de imán permanente de ferrita, especialmente os motores de corrente continua de imán permanente en miniatura, foron amplamente utilizados debido á súa estrutura e proceso sinxelos, ao seu peso reducido e ao seu custo total xeralmente inferior ao dos motores de excitación eléctrica. Dado que os imáns permanentes de terras raras seguen sendo relativamente caros na actualidade, o custo dos motores de imán permanente de terras raras é xeralmente maior que o dos motores de excitación eléctrica, o que debe compensarse co seu alto rendemento e aforro de custos operativos. Nalgúns casos, como nos motores de bobina móbil das unidades de disco dos ordenadores, o rendemento dos imáns permanentes de NdFeB mellórase, o volume e a masa redúcense significativamente e o custo total redúcese. No deseño, é necesario comparar o rendemento e o prezo segundo as ocasións e os requisitos de uso específicos para decidir a elección, pero tamén innovar o proceso estrutural e a optimización do deseño para reducir o custo.