Rozwój silników z magnesami trwałymi jest ściśle powiązany 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.
Pierwszym silnikiem na świecie, który pojawił się w latach dwudziestych XX wieku, był silnik z magnesami trwałymi, który wykorzystywał magnesy trwałe do generowania wzbudzających pól magnetycznych. Jednakże stosowanym wówczas materiałem magnesu trwałego był magnetyt naturalny (Fe3O4), który miał bardzo niską gęstość energii magnetycznej. Wykonany z niego silnik był dużych rozmiarów i wkrótce został zastąpiony silnikiem o wzbudzeniu elektrycznym.
Wraz z szybkim rozwojem różnych silników i wynalezieniem magnetyzerów prądu, ludzie przeprowadzili dogłębne badania nad mechanizmem, składem i technologią wytwarzania materiałów z magnesem trwałym i sukcesywnie odkrywali różnorodne materiały z magnesem trwałym, takie jak stal węglowa, wolfram stal (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 trzydziestych XX wieku (maksymalny produkt energii magnetycznej może osiągnąć 85 kJ/m3) i magnesów stałych ferrytowych w latach pięćdziesiątych XX wieku (maksymalny produkt energii magnetycznej może osiągnąć 40 kJ/m3) znacznie poprawiło właściwości magnetyczne oraz różne mikro i małe silniki zaczęły wykorzystywać wzbudzenie magnesami trwałymi. Moc silników z magnesami trwałymi waha się od kilku miliwatów do kilkudziesięciu kilowatów. Są szeroko stosowane w produkcji wojskowej, przemysłowej i rolniczej oraz w życiu codziennym, a ich produkcja dramatycznie wzrosła.
Odpowiednio, w tym okresie dokonano przełomu w teorii projektowania, metodach obliczeniowych, magnesowaniu i technologii wytwarzania silników z magnesami trwałymi, tworząc zestaw metod analitycznych i badawczych reprezentowanych przez metodę diagramów pracy magnesów trwałych. Jednakże siła koercyjna magnesów trwałych AlNiCo jest niewielka (36-160 kA/m), a gęstość magnetyczna szczątkowa magnesów trwałych ferrytowych nie jest duża (0,2-0,44 T), co ogranicza zakres ich zastosowań w silnikach.
Dopiero w latach sześćdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku pojawiły się kolejno magnesy trwałe z kobaltu ziem rzadkich i magnesy trwałe z neodymu, żelaza i boru (łącznie określane jako magnesy trwałe z metali ziem rzadkich). Ich doskonałe właściwości magnetyczne, takie jak wysoka remanentna gęstość magnetyczna, wysoka siła koercji, wysoki produkt energii magnetycznej i liniowa krzywa rozmagnesowania, są szczególnie przydatne do produkcji silników, wprowadzając w ten sposób rozwój silników z magnesami trwałymi w nowy okres historyczny.
1. Trwałe materiały magnetyczne
Materiały z magnesami trwałymi powszechnie stosowane w silnikach obejmują magnesy spiekane i magnesy łączone, główne typy to aluminium, nikiel, kobalt, ferryt, kobalt samarowy, neodymowo-żelazowo-borowy itp.
Alnico: Materiał z magnesami trwałymi Alnico jest jednym z najwcześniej stosowanych powszechnie materiałów z magnesami trwałymi, a proces jego przygotowania i technologia są stosunkowo dojrzałe.
Ferryt trwały: W latach pięćdziesiątych XX wieku ferryt zaczął się rozwijać, szczególnie w latach siedemdziesiątych XX wieku, kiedy wprowadzono do produkcji w dużych ilościach ferryt strontu o dobrej koercji i działaniu energii magnetycznej, co szybko rozszerzyło zastosowanie ferrytu trwałego. Jako niemetaliczny materiał magnetyczny, ferryt nie ma wad związanych z łatwym utlenianiem, niską temperaturą Curie i wysokim kosztem metalowych materiałów z magnesami trwałymi, dlatego jest bardzo popularny.
Kobalt samarowy: Materiał magnesu trwałego o doskonałych właściwościach magnetycznych, który pojawił się w połowie lat sześćdziesiątych XX wieku i ma bardzo stabilne działanie. Kobalt samarowy szczególnie nadaje się do produkcji silników ze względu na właściwości magnetyczne, ale ze względu na wysoką cenę stosowany jest głównie w badaniach i rozwoju silników wojskowych, takich jak lotnictwo, kosmonautyka i broń, a także silników w dziedzinach zaawansowanych technologii, gdzie Wysoka wydajność i cena nie są głównym czynnikiem.
NdFeB: Materiał magnetyczny NdFeB to stop neodymu, tlenku żelaza itp., znany również jako stal magnetyczna. Ma niezwykle wysoki produkt energii magnetycznej i siłę przymusu. Jednocześnie zalety dużej gęstości energii sprawiają, że materiały z magnesami trwałymi NdFeB są szeroko stosowane w nowoczesnym przemyśle i technologii elektronicznej, umożliwiając miniaturyzację, zmniejszenie ciężaru i zmniejszenie grubości sprzętu, takiego jak przyrządy, 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 na magnesy trwałe do silników (rysunek)
2.Wpływ kształtu i tolerancji stali magnetycznej na osiągi silnika
1. Wpływ grubości stali magnetycznej
Kiedy wewnętrzny lub zewnętrzny obwód magnetyczny jest nieruchomy, szczelina powietrzna zmniejsza się, a efektywny strumień magnetyczny wzrasta wraz ze wzrostem grubości. Oczywistym objawem jest to, że prędkość bez obciążenia maleje, a prąd bez obciążenia maleje przy tym samym magnetyzmie szczątkowym, a maksymalna wydajność silnika wzrasta. Istnieją jednak również wady, takie jak zwiększone wibracje komutacyjne silnika i stosunkowo bardziej stroma krzywa sprawności silnika. Dlatego grubość stali magnetycznej silnika powinna być jak najbardziej stała, aby zmniejszyć wibracje.
2.Wpływ szerokości stali magnetycznej
W przypadku blisko rozmieszczonych bezszczotkowych magnesów silnika całkowita skumulowana szczelina nie może przekraczać 0,5 mm. Jeśli będzie za mały, nie zostanie zamontowany. Jeśli jest zbyt duży, silnik będzie wibrował i zmniejszał wydajność. Dzieje się tak dlatego, że 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 pomiędzy magnesami występuje pewna szczelina, która jest zarezerwowana dla mechanicznej strefy przejściowej komutacji. Chociaż istnieje luka, większość producentów ma rygorystyczne procedury montażu magnesu, aby zapewnić dokładność montażu i dokładne położenie montażowe magnesu silnika. Jeśli szerokość magnesu przekracza, nie zostanie on zainstalowany; jeśli szerokość magnesu jest zbyt mała, spowoduje to nieprawidłowe ustawienie magnesu, silnik będzie wibrował bardziej, a wydajność zostanie zmniejszona.
3.Wpływ wielkości fazowania stali magnetycznej i braku fazowania
Jeżeli fazowanie nie zostanie wykonane, prędkość zmian pola magnetycznego na krawędzi pola magnetycznego silnika będzie duża, powodując pulsację silnika. Im większa faza, tym mniejsze wibracje. Jednakże fazowanie zwykle powoduje pewną utratę strumienia magnetycznego. W przypadku niektórych specyfikacji utrata strumienia magnetycznego wynosi 0,5 ~ 1,5%, gdy faza wynosi 0,8. W przypadku silników szczotkowych o niskim magnetyzmie szczątkowym odpowiednie zmniejszenie rozmiaru skosu pomoże zrekompensować magnetyzm szczątkowy, ale pulsacja silnika wzrośnie. Ogólnie rzecz biorąc, gdy magnetyzm szczątkowy jest niski, tolerancję w kierunku długości można odpowiednio zwiększyć, co może w pewnym stopniu zwiększyć efektywny strumień magnetyczny i utrzymać zasadniczo niezmienioną wydajność silnika.
3.Uwagi dotyczące silników z magnesami trwałymi
1. Konstrukcja 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 opłacalne silniki z magnesami trwałymi, nie jest możliwe proste zastosowanie metod obliczeń konstrukcji i projektu tradycyjne silniki z magnesami trwałymi lub silniki o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Aby ponownie przeanalizować i ulepszyć strukturę obwodu magnetycznego, należy opracować nowe koncepcje projektowe. Wraz z szybkim rozwojem sprzętu komputerowego i technologii oprogramowania, a także ciągłym doskonaleniem nowoczesnych metod projektowania, takich jak obliczenia numeryczne pola elektromagnetycznego, projektowanie optymalizacyjne i technologia symulacji, a także dzięki wspólnym wysiłkom społeczności akademickich i inżynieryjnych zajmujących się motoryzacją, dokonano przełomowych odkryć. wykonane w teorii projektowania, metodach obliczeniowych, procesach konstrukcyjnych i technologiach sterowania silników z magnesami trwałymi, tworząc kompletny zestaw metod analitycznych i badawczych oraz oprogramowanie do komputerowej analizy i projektowania, które łączy obliczenia numeryczne pola elektromagnetycznego i równoważne rozwiązanie analityczne obwodu magnetycznego, oraz jest stale udoskonalany.
2. Nieodwracalny problem rozmagnesowania
Jeśli konstrukcja lub zastosowanie jest niewłaściwe, silnik z magnesem trwałym może spowodować nieodwracalne rozmagnesowanie lub rozmagnesowanie, gdy temperatura jest zbyt wysoka (magnes trwały NdFeB) lub zbyt niska (magnes trwały ferrytowy) pod wpływem reakcji twornika spowodowanej prądem udarowym, lub pod wpływem silnych wibracji mechanicznych, które zmniejszą wydajność silnika, a nawet sprawią, że będzie on bezużyteczny. Dlatego konieczne jest zbadanie i opracowanie odpowiednich dla producentów silników metod i urządzeń do sprawdzania stabilności termicznej materiałów z magnesami trwałymi oraz analizowania właściwości przeciwrozmagnesowujących różnych form konstrukcyjnych, aby można było podjąć odpowiednie środki na etapie projektowania i produkcji aby zapewnić, że silnik z magnesami trwałymi nie straci magnetyzmu.
3. Kwestie kosztowe
Ponieważ magnesy trwałe ziem rzadkich są nadal stosunkowo drogie, koszt silników z magnesami trwałymi ziem rzadkich jest na ogół wyższy niż silników o wzbudzeniu elektrycznym, co należy zrekompensować ich wysoką wydajnością i oszczędnościami w kosztach operacyjnych. W niektórych przypadkach, np. w silnikach cewek drgających w napędach dysków komputerowych, zastosowanie magnesów trwałych NdFeB poprawia wydajność, znacznie zmniejsza objętość i masę oraz zmniejsza koszty całkowite. Podczas projektowania konieczne jest porównanie wydajności i ceny w oparciu o konkretne przypadki użycia i wymagania, a także wprowadzenie innowacji w procesach konstrukcyjnych i optymalizację projektów w celu zmniejszenia kosztów.
Anhui Mingteng Permanent Magnet Electromechanical Equipment Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/). Szybkość rozmagnesowania stali magnetycznej silnika z magnesami trwałymi wynosi nie więcej niż jedną tysięczną rocznie.
Materiał magnesu trwałego wirnika silnika z magnesami trwałymi naszej firmy wykorzystuje produkt o wysokiej energii magnetycznej i spiekany NdFeB o wysokiej koercji, a konwencjonalne gatunki to N38SH, N38UH, N40UH, N42UH itp. Weźmy N38SH, powszechnie używany gatunek naszej firmy , przykładowo: 38- oznacza maksymalny produkt energii magnetycznej 38MGOe; SH reprezentuje maksymalną odporność na temperaturę 150 ℃. UH ma maksymalną odporność na temperaturę 180 ℃. Firma zaprojektowała profesjonalne oprzyrządowanie i uchwyty prowadzące do montażu stali magnetycznej oraz jakościowo przeanalizowała polaryzację zmontowanej stali magnetycznej za pomocą rozsądnych środków, tak aby względna wartość strumienia magnetycznego każdej szczelinowej stali magnetycznej była bliska, co zapewnia symetrię magnetyczną obwodu i jakość zespołu stali magnetycznej.
Prawa autorskie: ten artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „dzisiejszy silnik”, oryginalny link https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg
Artykuł ten nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!
Czas publikacji: 30 sierpnia 2024 r