Наистина ли разбирате дизайна на постоянните магнити на двигателите с постоянни магнити?

Разработването на двигатели с постоянни магнити е тясно свързано с разработването на материали за постоянни магнити.
Развитието на двигателите с постоянни магнити е тясно свързано с разработването на материалите с постоянни магнити. Моята страна е първата страна в света, която открива магнитните свойства на материалите с постоянни магнити и ги прилага на практика. Преди повече от две хиляди години нашата страна използва магнитните свойства на материалите с постоянни магнити, за да създаде компас, който е изиграл огромна роля в навигацията, военната дейност и други области. Той се е превърнал в едно от четирите най-велики изобретения в древността на моята страна.

Първият двигател в света, появил се през 1820-те години, е бил двигател с постоянен магнит с възбуждащо магнитно поле, генерирано от постоянен магнит. Материалът за постоянните магнити, използван по това време, обаче е бил естествен магнетит (Fe3O4), който има много ниска магнитна енергийна плътност, а двигателят, направен от него, е бил обемист и скоро е заменен от двигател с електрическо възбуждане.

С бързото развитие на различни двигатели и изобретяването на настоящи магнетизатори, хората са провели задълбочени изследвания върху механизма, състава и технологията на производство на материали с постоянни магнити и последователно са открили въглеродна стомана и волфрамова стомана (максималният магнитен енергиен продукт е около 2.7 kJ/m3), кобалтова стомана (максималният магнитен енергиен продукт е около 7.2 kJ/m3) и други материали с постоянни магнити. По-специално, постоянните магнити AlNiCo, появили се през 1930-те години на миналия век (максималният магнитен енергиен продукт може да достигне 85 kJ/m3), и феритните постоянни магнити, появили се през 1950-те години на миналия век (максималният магнитен енергиен продукт сега може да достигне 40 kJ/m3), имат различни магнитни свойства. С голямото подобрение, различни микро и малки двигатели използват възбуждане с постоянни магнити. Мощността на двигателите с постоянни магнити е от няколко миливата до десетки киловати. Те се използват широко във военното, промишленото и селскостопанското производство и ежедневието, а производителността им се е увеличила рязко. Съответно, през този период са направени пробиви в теорията на проектиране, метода на изчисление, намагнитването и технологията на производство на двигатели с постоянни магнити и е формиран набор от методи за анализ и изследване, представени чрез работна диаграма на постоянните магнити. Коерцитивността на постоянните магнити от AlNiCo обаче е ниска (36-160 kA/m), а плътността на остатъчното напрежение на феритните постоянни магнити не е висока (0.2-0.44 T), което ограничава приложението им в двигателите. До 1960-те и 1980-те години на миналия век последователно се появяват постоянни магнити от редкоземни кобалтови елементи и постоянни магнити от неодимови желязо-борови елементи (и двете общо наричани редкоземни постоянни магнити), с висока плътност на остатъчното напрежение, висока коерцитивност, висок магнитен енергиен продукт и линейна крива на размагнитване. Отличните магнитни свойства на двигателя с постоянни магнити са особено подходящи за производството на електродвигатели, така че развитието на двигателите с постоянни магнити навлиза в нов исторически период.

Материал за постоянен магнит

Магнити за двигатели: Материалите за постоянни магнити, често използвани в двигателите, включват синтеровани магнити и свързани магнити, като основните видове са AlNiCo, ферит, самариев кобалт, NdFeB и др.
AlNiCo: AlNiCo материалът за постоянни магнити е най-ранният широко използван материал за постоянни магнити, а процесът на производство и технологията му са сравнително зрели. В момента има фабрики в Япония, САЩ, Европа, Русия и Китай. Сред големите производствени предприятия, производството на постоянни магнити в Ханджоу в момента е на първо място в Китай, с годишен производствен капацитет от 3,000 тона.

Ферит с постоянен магнит: През 1950-те години на миналия век феритът започва да процъфтява. Особено през 1970-те години на миналия век стронциевият ферит с по-добри показатели по отношение на коерцитивна сила и магнитна енергия е пуснат в производство в големи количества и употребата на ферита с постоянен магнит бързо се разширява. Като неметален магнитен материал, феритът няма недостатъците на лесното окисляване, ниската температура на Кюри и високата цена на металните материали с постоянни магнити, така че е много популярен.

Самарий кобалтов материал: материал с постоянен магнит с отлични магнитни свойства, появил се в средата на 1960-те години на миналия век и чиито характеристики са много стабилни. Самарий кобалтът е особено подходящ за производството на двигатели по отношение на магнитните си свойства, но поради високата си цена се използва главно в научноизследователската и развойна дейност на авиационните, аерокосмическите, оръжейните и други военни двигатели, както и на високопроизводителни двигатели във високотехнологични области, където цената не е основният фактор.

NdFeB материал: NdFeB магнитният материал е сплав от неодим, железен оксид и др., известен още като магнитна стомана. Той има изключително висок магнитен енергиен продукт и коерцитивна сила, а в същото време предимствата на високата енергийна плътност правят постоянните магнитни материали NdFeB широко използвани в съвременната индустрия и електронните технологии. Възможно е да се намалят размерът, теглото и дебелината. Тъй като съдържа много неодим и желязо, лесно ръждясва. Повърхностната химическа пасивация е едно от най-добрите решения в момента.

Връзката между производителността на магнитната стомана и производителността на двигателя

1. Влияние на остатъчния магнетизъм

При двигатели с постоянен ток, при едни и същи параметри на намотката и условия на изпитване, колкото по-висока е остатъчната магнитна намотка, толкова по-ниска е скоростта на празен ход и по-нисък е токът на празен ход; колкото по-голям е максималният въртящ момент, толкова по-висока е ефективността в най-високата точка на ефективност. В действителния тест, нивото на скоростта на празен ход и размерът на максималния въртящ момент обикновено се използват за оценка на стандарта за остатъчна магнитна намотка на магнитната стомана.

При едни и същи параметри на намотката и електрически параметри, причината, поради която по-висока е остатъчната еманциализация, толкова по-ниска е скоростта на празен ход и по-нисък е токът на празен ход, е, че работещият двигател генерира достатъчно обратна индуктивност при относително ниска скорост. Той генерира напрежение, което води до намаляване на алгебричната сума на електродвижещата сила, приложена към намотката.

2. Влиянието на принудата

В процеса на работа на двигателя винаги има влияние на температурата и обратното размагнетизиране. От гледна точка на конструкцията на двигателя, колкото по-висока е коерцитивната сила, толкова по-малка може да бъде посоката на дебелината на магнитната стомана, и колкото по-малка е коерцитивната сила, толкова по-голяма е посоката на дебелината на магнитната стомана. След като обаче магнитната стомана надвиши определена коерцитивна сила, тя става безполезна, защото другите компоненти на двигателя не могат да работят стабилно при тази температура. Коерцитивната сила трябва само да отговаря на изискванията, а стандартът е да отговаря на изискванията при препоръчителните експериментални условия, без да се хабят ресурси.

3. Ефектът на квадратността

Правоъгълността влияе само върху праволинейността на кривата на ефективност при теста за производителност на двигателя. Въпреки че праволинейността на кривата на ефективност на двигателя не е посочена като важен индексен стандарт, тя е много важна за разстоянието на продължаване на двигателя в колелата при естествени пътни условия. Поради различните пътни условия, двигателят не винаги може да работи в точката на максимална ефективност, което е една от причините максималната ефективност на някои двигатели да не е висока, а разстоянието на продължаване да е дълго. Добрият двигател в колелата не само трябва да има висока максимална ефективност, но и кривата на ефективност да е възможно най-равномерна, като колкото по-малък е наклонът на намаляването на ефективността, толкова по-добре. Това постепенно ще се превърне във важен стандарт с развитието на пазара, технологиите и стандартите за двигателите в колелата.

4. Въздействието на постоянството в производителността

Непоследователна остатъчна магнитна индукция: Това не е добре, дори ако има отделни магнити с особено високи показатели. Поради непоследователността на магнитния поток на всеки еднопосочен сегмент от магнитното поле, въртящият момент е асиметричен и възниква вибрация.

Непоследователна коерцитивна сила: По-специално, коерцитивната сила на отделните продукти е твърде ниска, което води до обратно размагнетизиране, което води до непоследователен магнитен поток на всяка магнитна стомана и причинява вибрации на двигателя. Този ефект е по-силно изразен при безчетковите двигатели.

Влияние на формата и толеранса на магнита върху работата на двигателя

1. Влиянието на дебелината на магнитната стомана

Когато вътрешната или външната магнитна верига е фиксирана, с увеличаване на дебелината, въздушната междина намалява и ефективният магнитен поток се увеличава. Очевидната характеристика е, че скоростта на празен ход и токът на празен ход намаляват при един и същ остатъчен магнетизъм, а максималната ефективност на двигателя се намалява. Съществуват обаче и отрицателни аспекти, като например увеличените комутационни вибрации на двигателя и относително по-стръмната крива на ефективност на двигателя. Следователно, дебелината на магнитите на двигателя трябва да бъде възможно най-равномерна, за да се намалят вибрациите.

2. Влиянието на ширината на магнитната стомана

При плътно опакованите магнити на безчетковите двигатели, общата кумулативна хлабина не може да надвишава 0.5 мм. Ако е твърде малка, няма да може да се монтира. Ако е твърде голяма, това ще доведе до вибрации на двигателя и намалена ефективност. Това се дължи на несъответствието между позицията и магнита. Действителната позиция на стоманата не съвпада и трябва да се осигури еднаква ширина, в противен случай двигателят ще има ниска ефективност и големи вибрации.

При четковите двигатели има определена празнина между магнитите, която е запазена за преходната зона на механичната комутация. Въпреки че има празнина, повечето производители имат строги процедури за монтаж на магнитна стомана, за да гарантират точността на монтажа и да осигурят точното положение на монтажа на магнита на двигателя. Ако ширината на магнитната стомана е по-голяма, тя няма да бъде монтирана; ако ширината на магнитната стомана е твърде малка, позицията на магнитната стомана ще бъде неправилна, вибрациите на двигателя ще се увеличат и ефективността ще намалее.

3. Влиянието на размера на скосяване на магнитна стомана и липсата на скосяване

Ако ъгълът не е скосен, скоростта на промяна на магнитното поле в края на магнитното поле на двигателя е голяма, което причинява импулсни вибрации на двигателя. Колкото по-голям е ъгълът на скосяване, толкова по-малки са вибрациите. Въпреки това, скосяването обикновено има известна загуба на магнитен поток. За някои спецификации, когато скосяването достигне 0.8, загубата на магнитен поток е 0.5~1.5%. Когато остатъчната магнитна напрегнатост на четковия двигател е ниска, подходящото намаляване на размера на скосяването е полезно за компенсиране на остатъчната магнитна напрегнатост, но импулсните вибрации на двигателя се увеличават. Най-общо казано, когато остатъчната магнитна напрегнатост е ниска, толерансът в посока на дължината може да бъде подходящо увеличен, което може да подобри до известна степен ефективния магнитен поток и да направи производителността на двигателя практически непроменена.

Предпазни мерки за двигатели с постоянни магнити

1. Изчисляване на структурата и дизайна на магнитната верига

За да се разгърнат пълноценно магнитните свойства на различните материали с постоянни магнити, особено отличните магнитни свойства на редкоземните постоянни магнити, и да се произведат рентабилни двигатели с постоянни магнити, методите за изчисляване на структурата и дизайна на традиционните двигатели с постоянни магнити или двигатели с електрическо възбуждане не могат просто да се приложат. Трябва да се установи нова концепция за проектиране и структурата на магнитната верига трябва да се преразгледа и подобри. С бързото развитие на компютърните хардуерни и софтуерни технологии, както и с непрекъснатото усъвършенстване на съвременните методи за проектиране, като числено изчисление на електромагнитното поле, оптимизационно проектиране и симулационна технология, чрез съвместните усилия на академичните среди в областта на електродвигателите и инженерните среди, те се използват широко в теорията на проектиране. Постигнат е пробив в методите за изчисление, структурните технологии и технологиите за управление и др., като е създаден набор от методи за анализ и изследване и компютърно подпомогнат софтуер за анализ и проектиране, комбиниращи числено изчисление на електромагнитното поле и аналитично решение на еквивалентна магнитна верига, които непрекъснато се усъвършенстват.

2. Проблеми с контрола

Двигателят с постоянни магнити може да поддържа магнитното си поле без външна енергия, но това също така прави изключително трудно регулирането и контрола на магнитното му поле отвън. За генератора с постоянни магнити е трудно да регулира изходното си напрежение и коефициента на мощност отвън, а постояннотоковият двигател с постоянни магнити вече не може да регулира скоростта си чрез промяна на метода на възбуждане. Това ограничава обхвата на приложение на двигателите с постоянни магнити. С бързото развитие на силови електронни устройства и технологии за управление, като MOSFET и IGBT, обаче, повечето двигатели с постоянни магнити могат да се използват без управление на полето и само с управление на котвата. При проектирането е необходимо да се комбинират три нови технологии: материали за редкоземни постоянни магнити, силови електронни устройства и микрокомпютърно управление, така че двигателят с постоянни магнити да може да работи при нови работни условия.

3. Проблемът с необратимото размагнетизиране

Ако проектирането или употребата са неправилни, двигателят с постоянни магнити ще бъде подложен на действието на реакцията на котвата, причинена от пусковия ток, когато температурата е твърде висока (постоянен магнит NdFeB) или твърде ниска (постоянен магнит от ферит), или когато има силни механични вибрации. Възможно е да се причини необратимо размагнитване или загуба на намагнитване, което ще намали производителността на двигателя и дори ще го направи неизползваем. Следователно е необходимо да се изследват и разработят методи и устройства за проверка на термичната стабилност на материалите с постоянни магнити, подходящи за производителите на двигатели, и да се анализират възможностите за антиразмагнитване на различни структурни форми, за да се вземат съответните мерки по време на проектирането и производството, за да се гарантира, че двигателите с постоянни магнити не губят своя магнетизъм.

4. Проблеми с разходите

Феритните двигатели с постоянни магнити, особено миниатюрните DC двигатели с постоянни магнити, са широко използвани поради опростената си структура и процес, намаленото тегло и като цяло по-ниската обща цена в сравнение с двигателите с електрическо възбуждане. Тъй като постоянните магнити от редкоземни елементи все още са сравнително скъпи в момента, цената на двигателите с постоянни магнити от редкоземни елементи обикновено е по-висока от тази на двигателите с електрическо възбуждане, което трябва да се компенсира с висока производителност и икономии на експлоатационни разходи. В някои случаи, като например двигатели с гласови бобини на компютърни дискове, производителността на постоянните магнити NdFeB се подобрява, обемът и масата се намаляват значително и общата цена се намалява. При проектирането е необходимо да се сравнят производителността и цената според специфичните случаи на употреба и изисквания, за да се вземе решение за избор, но също така да се направят иновации в структурния процес и оптимизацията на дизайна, за да се намалят разходите.