Rozwój silników z magnesami trwałymi jest ściśle związany z rozwojem materiałów z magnesami trwałymi. Chiny są pierwszym krajem na świecie, który odkrył właściwości magnetyczne materiałów z magnesami trwałymi i zastosował je w praktyce. Ponad 2000 lat temu Chiny wykorzystały właściwości magnetyczne materiałów z magnesami trwałymi do produkcji kompasów, które odegrały ogromną rolę w nawigacji, wojsku i innych dziedzinach i stały się jednym z czterech wielkich wynalazków starożytnych Chin.
Pierwszy silnik na świecie, który pojawił się w latach 20. XX wieku, był silnikiem z magnesami trwałymi, który wykorzystywał magnesy trwałe do generowania pól magnetycznych wzbudzających. Jednak materiałem magnesu trwałego używanym w tamtym czasie był naturalny magnetyt (Fe3O4), który miał bardzo niską gęstość energii magnetycznej. Silnik z niego wykonany był duży i wkrótce został zastąpiony silnikiem wzbudzającym elektrycznym.
Dzięki szybkiemu rozwojowi różnych silników i wynalezieniu współczesnych magnetyzerów, ludzie przeprowadzili dogłębne badania nad mechanizmem, składem i technologią produkcji materiałów magnetycznych trwałych i stopniowo odkryli różne materiały magnetyczne trwałe, takie jak stal węglowa, stal wolframowa (maksymalny produkt energii magnetycznej około 2,7 kJ/m3) i stal kobaltowa (maksymalny produkt energii magnetycznej około 7,2 kJ/m3).
W szczególności pojawienie się magnesów trwałych z aluminium, niklu i kobaltu w latach 30. XX wieku (maksymalny produkt energii magnetycznej może osiągnąć 85 kJ/m3) i magnesów trwałych ferrytowych w latach 50. XX wieku (maksymalny produkt energii magnetycznej może osiągnąć 40 kJ/m3) znacznie poprawiło właściwości magnetyczne, a różne mikrosilniki i małe silniki zaczęły wykorzystywać wzbudzenie magnesem trwałym. Moc silników z magnesem trwałym waha się od kilku miliwatów do dziesiątek kilowatów. Są one szeroko stosowane w produkcji wojskowej, przemysłowej i rolniczej oraz w życiu codziennym, a ich wydajność dramatycznie wzrosła.
Odpowiednio, w tym okresie dokonano przełomów w teorii projektowania, metodach obliczeniowych, namagnesowaniu i technologii produkcji silników z magnesami trwałymi, tworząc zbiór metod analizy i badań reprezentowanych przez metodę diagramu roboczego magnesu trwałego. Jednak siła koercji magnesów trwałych AlNiCo jest niska (36-160 kA/m), a resztkowa gęstość magnetyczna magnesów trwałych ferrytowych nie jest wysoka (0,2-0,44 T), co ogranicza zakres ich zastosowań w silnikach.
Dopiero w latach 60. i 80. XX wieku pojawiły się kolejno magnesy trwałe z kobaltu i neodymu, żelaza i boru (zwane zbiorczo magnesami trwałymi z ziemi rzadkiej). Ich doskonałe właściwości magnetyczne, takie jak wysoka gęstość magnetyczna remanentna, wysoka siła koercji, wysoki produkt energii magnetycznej i liniowa krzywa demagnetyzacji, są szczególnie odpowiednie do produkcji silników, co zapoczątkowało rozwój silników z magnesami trwałymi w nowym okresie historycznym.
1. Materiały magnetycznie trwałe
Materiały z magnesami trwałymi powszechnie stosowane w silnikach obejmują magnesy spiekane i magnesy łączone. Główne rodzaje to magnesy aluminiowe, niklowo-kobaltowe, ferrytowe, samarowo-kobaltowe, neodymowo-żelazowo-borowe itp.
Alnico: Materiał na magnesy trwałe Alnico jest jednym z najwcześniejszych i szeroko stosowanych materiałów na magnesy trwałe, a proces jego wytwarzania i technologia są stosunkowo dojrzałe.
Ferryt trwały: W latach 50. ferryt zaczął się rozwijać, szczególnie w latach 70., kiedy to ferryt strontowy o dobrej koercji i wydajności energii magnetycznej został wprowadzony do produkcji w dużych ilościach, co szybko zwiększyło wykorzystanie ferrytu trwałego. Jako niemetaliczny materiał magnetyczny ferryt nie ma wad łatwego utleniania, niskiej temperatury Curie i wysokich kosztów metalowych materiałów z magnesami trwałymi, dlatego jest bardzo popularny.
Samar kobalt: Materiał magnesu trwałego o doskonałych właściwościach magnetycznych, który pojawił się w połowie lat 60. i ma bardzo stabilną wydajność. Samar kobalt jest szczególnie odpowiedni do produkcji silników pod względem właściwości magnetycznych, ale ze względu na wysoką cenę jest głównie stosowany w badaniach i rozwoju silników wojskowych, takich jak lotnictwo, kosmonautyka i broń, a także silników w dziedzinach high-tech, w których wysoka wydajność i cena nie są głównymi czynnikami.
NdFeB: Materiał magnetyczny NdFeB jest stopem neodymu, tlenku żelaza itp., znanym również jako stal magnetyczna. Posiada niezwykle wysoki produkt energii magnetycznej i siłę koercji. Jednocześnie zalety wysokiej gęstości energii sprawiają, że materiały z magnesami trwałymi NdFeB są szeroko stosowane w nowoczesnym przemyśle i technologii elektronicznej, umożliwiając miniaturyzację, odciążenie i zmniejszenie grubości sprzętu, takiego jak instrumenty, silniki elektroakustyczne, separacja magnetyczna i namagnesowanie. Ponieważ zawiera dużą ilość neodymu i żelaza, łatwo rdzewieje. Chemiczna pasywacja powierzchni jest obecnie jednym z najlepszych rozwiązań.
Odporność na korozję, maksymalna temperatura pracy, wydajność przetwarzania, kształt krzywej rozmagnesowania,
i porównanie cen powszechnie stosowanych materiałów z magnesami trwałymi do silników (rysunek)
2.Wpływ kształtu i tolerancji stali magnetycznej na wydajność silnika
1. Wpływ grubości stali magnetycznej
Gdy wewnętrzny lub zewnętrzny obwód magnetyczny jest nieruchomy, szczelina powietrzna zmniejsza się, a efektywny strumień magnetyczny zwiększa się, gdy grubość wzrasta. Oczywistym objawem jest to, że prędkość bez obciążenia zmniejsza się, a prąd bez obciążenia zmniejsza się przy tym samym szczątkowym magnetyzmie, a maksymalna sprawność silnika wzrasta. Istnieją jednak również wady, takie jak zwiększone drgania komutacyjne silnika i stosunkowo bardziej stroma krzywa sprawności silnika. Dlatego grubość stali magnetycznej silnika powinna być jak najbardziej spójna, aby zmniejszyć drgania.
2.Wpływ szerokości stali magnetycznej
W przypadku magnesów silników bezszczotkowych o małej odległości od siebie, całkowita skumulowana szczelina nie może przekraczać 0,5 mm. Jeśli jest za mała, nie zostanie zainstalowana. Jeśli jest za duża, silnik będzie wibrował i zmniejszy wydajność. Dzieje się tak, ponieważ położenie elementu Halla mierzącego położenie magnesu nie odpowiada rzeczywistemu położeniu magnesu, a szerokość musi być stała, w przeciwnym razie silnik będzie miał niską wydajność i duże wibracje.
W przypadku silników szczotkowych istnieje pewna przerwa między magnesami, która jest zarezerwowana dla strefy przejścia komutacji mechanicznej. Chociaż istnieje przerwa, większość producentów stosuje ścisłe procedury instalacji magnesów, aby zapewnić dokładność instalacji w celu zapewnienia dokładnej pozycji instalacji magnesu silnika. Jeśli szerokość magnesu przekracza, nie zostanie on zainstalowany; jeśli szerokość magnesu jest zbyt mała, spowoduje to rozregulowanie magnesu, silnik będzie bardziej wibrował, a wydajność zostanie zmniejszona.
3. Wpływ wielkości fazy stali magnetycznej i braku fazy
Jeśli fazowanie nie zostanie wykonane, szybkość zmiany pola magnetycznego na krawędzi pola magnetycznego silnika będzie duża, powodując pulsowanie silnika. Im większe fazowanie, tym mniejsze drgania. Jednak fazowanie ogólnie powoduje pewną utratę strumienia magnetycznego. W przypadku niektórych specyfikacji utrata strumienia magnetycznego wynosi 0,5~1,5%, gdy fazowanie wynosi 0,8. W przypadku silników szczotkowych o niskim magnetyzmie szczątkowym odpowiednie zmniejszenie rozmiaru fazowania pomoże skompensować magnetyzm szczątkowy, ale pulsowanie silnika wzrośnie. Ogólnie rzecz biorąc, gdy magnetyzm szczątkowy jest niski, tolerancję w kierunku długości można odpowiednio zwiększyć, co może zwiększyć efektywny strumień magnetyczny do pewnego stopnia i utrzymać wydajność silnika zasadniczo niezmienioną.
3. Uwagi dotyczące silników z magnesami trwałymi
1. Struktura obwodu magnetycznego i obliczenia projektowe
Aby w pełni wykorzystać właściwości magnetyczne różnych materiałów z magnesami trwałymi, zwłaszcza doskonałe właściwości magnetyczne magnesów trwałych ziem rzadkich, i wyprodukować ekonomiczne silniki z magnesami trwałymi, nie można po prostu zastosować metod obliczeniowych konstrukcji i projektu tradycyjnych silników z magnesami trwałymi lub silników wzbudzających elektromagnetycznie. Należy opracować nowe koncepcje projektowe w celu ponownej analizy i ulepszenia struktury obwodu magnetycznego. Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii sprzętu komputerowego i oprogramowania, a także ciągłemu doskonaleniu nowoczesnych metod projektowania, takich jak numeryczne obliczenia pola elektromagnetycznego, projektowanie optymalizacji i technologia symulacji, a także dzięki wspólnym wysiłkom społeczności akademickiej i inżynierskiej zajmującej się motoryzacją, dokonano przełomów w teorii projektowania, metodach obliczeniowych, procesach konstrukcyjnych i technologiach sterowania silników z magnesami trwałymi, tworząc kompletny zestaw metod analizy i badań oraz oprogramowania do analizy i projektowania wspomaganego komputerowo, które łączy numeryczne obliczenia pola elektromagnetycznego i równoważne rozwiązanie analityczne obwodu magnetycznego, i jest stale udoskonalane.
2. Problem nieodwracalnego rozmagnesowania
Jeśli konstrukcja lub użytkowanie są nieprawidłowe, silnik z magnesami trwałymi może powodować nieodwracalne rozmagnesowanie, lub demagnetyzację, gdy temperatura jest zbyt wysoka (magnes trwały NdFeB) lub zbyt niska (magnes trwały ferrytowy), pod wpływem reakcji wirnika spowodowanej prądem udarowym lub pod wpływem silnych wibracji mechanicznych, co obniży wydajność silnika, a nawet uczyni go bezużytecznym. Dlatego konieczne jest zbadanie i opracowanie metod i urządzeń odpowiednich dla producentów silników w celu sprawdzenia stabilności termicznej materiałów z magnesami trwałymi i przeanalizowania zdolności antydemagnetyzacyjnych różnych form konstrukcyjnych, tak aby można było podjąć odpowiednie środki podczas projektowania i produkcji, aby zapewnić, że silnik z magnesami trwałymi nie straci magnetyzmu.
3. Problemy z kosztami
Ponieważ magnesy trwałe ziem rzadkich są nadal stosunkowo drogie, koszt silników z magnesami trwałymi ziem rzadkich jest ogólnie wyższy niż silników wzbudzających, co musi być rekompensowane przez ich wysoką wydajność i oszczędności w kosztach eksploatacji. W niektórych przypadkach, takich jak silniki z cewką drgającą do napędów dysków komputerowych, użycie magnesów trwałych NdFeB poprawia wydajność, znacznie zmniejsza objętość i masę oraz obniża całkowite koszty. Podczas projektowania konieczne jest porównanie wydajności i ceny w oparciu o konkretne okazje i wymagania użytkowania oraz wprowadzanie innowacji w procesach konstrukcyjnych i optymalizowanie projektów w celu obniżenia kosztów.
Anhui Mingteng Permanent Magnet Electromechanical Equipment Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/). Szybkość rozmagnesowania stali magnetycznej silnika z magnesami trwałymi nie przekracza jednej tysięcznej na rok.
Materiał magnesu trwałego wirnika silnika z magnesem trwałym naszej firmy przyjmuje spiekany NdFeB o wysokiej energii magnetycznej i wysokiej koercji wewnętrznej, a konwencjonalne gatunki to N38SH, N38UH, N40UH, N42UH itp. Weźmy na przykład N38SH, powszechnie stosowany gatunek naszej firmy: 38- reprezentuje maksymalny produkt energii magnetycznej 38MGOe; SH reprezentuje maksymalną odporność na temperaturę 150℃. UH ma maksymalną odporność na temperaturę 180℃. Firma zaprojektowała profesjonalne narzędzia i przyrządy prowadzące do montażu stali magnetycznej i jakościowo przeanalizowała biegunowość zmontowanej stali magnetycznej za pomocą rozsądnych środków, tak aby względna wartość strumienia magnetycznego każdej szczeliny stali magnetycznej była bliska, co zapewnia symetrię obwodu magnetycznego i jakość montażu stali magnetycznej.
Prawa autorskie: Niniejszy artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „today's motor”, oryginalny link https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg
Niniejszy artykuł nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!
Czas publikacji: 30-08-2024