Wraz z rozwojem materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich w latach 70. XX wieku, pojawiły się silniki z magnesami trwałymi ziem rzadkich. Silniki z magnesami trwałymi wykorzystują magnesy trwałe ziem rzadkich do wzbudzenia, a magnesy trwałe mogą generować pola magnetyczne po namagnesowaniu. Ich wydajność wzbudzenia jest doskonała i przewyższa silniki z wzbudzeniem elektrycznym pod względem stabilności, jakości i redukcji strat, co wstrząsnęło tradycyjnym rynkiem silników.

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem nowoczesnej nauki i technologii, wydajność i technologia materiałów elektromagnetycznych, zwłaszcza materiałów elektromagnetycznych ziem rzadkich, stopniowo ulegały poprawie. W połączeniu z szybkim rozwojem elektroniki mocy, technologii przesyłu mocy i technologii automatycznego sterowania, wydajność silników synchronicznych z magnesami trwałymi staje się coraz lepsza.

Ponadto silniki synchroniczne z magnesami trwałymi mają zalety lekkości, prostej konstrukcji, małych rozmiarów, dobrych cech i dużej gęstości mocy. Wiele instytucji naukowo-badawczych i przedsiębiorstw aktywnie prowadzi badania i rozwój silników synchronicznych z magnesami trwałymi, a ich obszary zastosowań będą dalej rozszerzane.

1.Podstawy rozwoju silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

a.Zastosowanie wysokowydajnych materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich

Materiały z magnesami trwałymi ziem rzadkich przeszły przez trzy etapy: SmCo5, Sm2Co17 i Nd2Fe14B. Obecnie materiały z magnesami trwałymi reprezentowane przez NdFeB stały się najszerzej stosowanym typem materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich ze względu na ich doskonałe właściwości magnetyczne. Rozwój materiałów z magnesami trwałymi napędzał rozwój silników z magnesami trwałymi.

W porównaniu z tradycyjnym trójfazowym silnikiem indukcyjnym z wzbudzeniem elektrycznym, magnes trwały zastępuje biegun wzbudzenia elektrycznego, upraszcza konstrukcję, eliminuje pierścień ślizgowy i szczotkę wirnika, realizuje bezszczotkową konstrukcję i zmniejsza rozmiar wirnika. Poprawia to gęstość mocy, gęstość momentu obrotowego i wydajność roboczą silnika, a także sprawia, że ​​silnik jest mniejszy i lżejszy, co jeszcze bardziej rozszerza jego pole zastosowań i promuje rozwój silników elektrycznych w kierunku większej mocy.

b.Zastosowanie nowej teorii sterowania

W ostatnich latach algorytmy sterowania rozwijają się szybko. Wśród nich algorytmy sterowania wektorowego rozwiązały problem strategii napędowej silników prądu przemiennego w zasadzie, dzięki czemu silniki prądu przemiennego mają dobrą wydajność sterowania. Pojawienie się bezpośredniego sterowania momentem obrotowym upraszcza strukturę sterowania i charakteryzuje się silną wydajnością obwodu w przypadku zmian parametrów i szybką prędkością reakcji dynamicznej momentu obrotowego. Technologia pośredniego sterowania momentem obrotowym rozwiązuje problem dużej pulsacji momentu obrotowego bezpośredniego przy niskiej prędkości i poprawia prędkość i dokładność sterowania silnika.

c.Zastosowanie wysokowydajnych urządzeń i procesorów elektronicznych

Nowoczesna technologia elektroniki mocy jest ważnym interfejsem między przemysłem informacyjnym a tradycyjnymi gałęziami przemysłu, a także mostem między słabym prądem a kontrolowanym silnym prądem. Rozwój technologii elektroniki mocy umożliwia realizację strategii sterowania napędem.

W latach 70. pojawiła się seria uniwersalnych falowników, które mogły przekształcać moc o częstotliwości przemysłowej na moc o zmiennej częstotliwości z płynnie regulowaną częstotliwością, tworząc w ten sposób warunki do regulacji prędkości prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości. Falowniki te mają możliwość łagodnego startu po ustawieniu częstotliwości, a częstotliwość może wzrastać od zera do ustawionej częstotliwości z określoną szybkością, a szybkość wzrostu może być stale regulowana w szerokim zakresie, rozwiązując problem rozruchu silników synchronicznych.

2.Stan rozwoju silników synchronicznych z magnesami trwałymi w kraju i za granicą

Pierwszym silnikiem w historii był silnik z magnesem trwałym. W tamtym czasie wydajność materiałów z magnesem trwałym była stosunkowo słaba, a siła koercji i remanencja magnesów trwałych były zbyt niskie, więc wkrótce zastąpiono je silnikami wzbudzającymi elektrycznie.

W latach 70. materiały z magnesami trwałymi ziem rzadkich, takie jak NdFeB, miały dużą siłę koercji, remanencję, silną zdolność do rozmagnesowania i duży produkt energii magnetycznej, co sprawiło, że silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o dużej mocy pojawiły się na scenie historii. Obecnie badania nad silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi stają się coraz bardziej dojrzałe i rozwijają się w kierunku dużej prędkości, wysokiego momentu obrotowego, dużej mocy i wysokiej wydajności.

W ostatnich latach, dzięki dużym inwestycjom krajowych naukowców i rządu, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi rozwijają się szybko. Dzięki rozwojowi technologii mikrokomputerowej i technologii automatycznego sterowania, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są szeroko stosowane w różnych dziedzinach. Ze względu na postęp społeczeństwa, wymagania ludzi dotyczące silników synchronicznych z magnesami trwałymi stały się bardziej rygorystyczne, co skłoniło silniki z magnesami trwałymi do rozwoju w kierunku większego zakresu regulacji prędkości i wyższej precyzji sterowania. Ze względu na udoskonalenie obecnych procesów produkcyjnych, wysokowydajne materiały z magnesami trwałymi zostały dalej rozwinięte. To znacznie obniża jego koszt i stopniowo stosuje się go w różnych dziedzinach życia.

3. Obecna technologia

a. Technologia projektowania silników synchronicznych z magnesami trwałymi

W porównaniu ze zwykłymi silnikami elektrycznymi, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi nie posiadają uzwojeń wzbudzenia elektrycznego, pierścieni kolektorowych i szaf wzbudzenia, co znacznie zwiększa nie tylko stabilność i niezawodność, ale także wydajność.

Spośród nich wbudowane silniki z magnesami trwałymi charakteryzują się wysoką sprawnością, wysokim współczynnikiem mocy, dużą gęstością mocy jednostkowej, dużą zdolnością do rozszerzania prędkości przy słabym magnesie i szybką szybkością reakcji dynamicznej, co czyni je idealnym wyborem do napędzania silników.

Magnesy trwałe zapewniają całe pole magnetyczne wzbudzenia silników z magnesami trwałymi, a moment obrotowy zębatki zwiększy wibracje i hałas silnika podczas pracy. Nadmierny moment obrotowy zębatki wpłynie na wydajność układu sterowania prędkością silnika przy niskiej prędkości i precyzyjne pozycjonowanie układu sterowania położeniem. Dlatego podczas projektowania silnika moment obrotowy zębatki należy zmniejszyć tak bardzo, jak to możliwe, poprzez optymalizację silnika.

Zgodnie z badaniami, ogólne metody redukcji momentu obrotowego obejmują zmianę współczynnika łuku biegunowego, zmniejszenie szerokości szczeliny stojana, dopasowanie szczeliny skośnej i szczeliny biegunowej, zmianę położenia, rozmiaru i kształtu bieguna magnetycznego itp. Należy jednak zauważyć, że podczas redukcji momentu obrotowego może to wpłynąć na inne parametry silnika, takie jak moment elektromagnetyczny, który może odpowiednio się zmniejszyć. Dlatego podczas projektowania należy jak najbardziej zrównoważyć różne czynniki, aby uzyskać najlepszą wydajność silnika.

b.Technologia symulacji silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

Obecność magnesów trwałych w silnikach z magnesami trwałymi utrudnia projektantom obliczanie parametrów, takich jak projekt współczynnika strumienia upływu bez obciążenia i współczynnika łuku biegunowego. Zasadniczo oprogramowanie do analizy elementów skończonych jest używane do obliczania i optymalizacji parametrów silników z magnesami trwałymi. Oprogramowanie do analizy elementów skończonych może bardzo dokładnie obliczać parametry silnika i jest bardzo niezawodne w użyciu do analizy wpływu parametrów silnika na wydajność.

Metoda obliczeń elementów skończonych ułatwia, przyspiesza i zwiększa dokładność obliczania i analizowania pola elektromagnetycznego silników. Jest to numeryczna metoda opracowana na podstawie metody różnicowej, która jest szeroko stosowana w nauce i inżynierii. Za pomocą metod matematycznych dyskretyzuj niektóre obszary rozwiązań ciągłych w grupy jednostek, a następnie interpoluj w każdej jednostce. W ten sposób powstaje liniowa funkcja interpolacji, czyli symulowana i analizowana jest przybliżona funkcja przy użyciu elementów skończonych, co pozwala nam intuicyjnie obserwować kierunek linii pola magnetycznego i rozkład gęstości strumienia magnetycznego wewnątrz silnika.

c.Technologia sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi

Poprawa wydajności układów napędowych silników ma również duże znaczenie dla rozwoju dziedziny sterowania przemysłowego. Umożliwia ona napędzanie układu z najlepszą wydajnością. Jego podstawowe cechy odzwierciedlają się w niskiej prędkości, zwłaszcza w przypadku szybkiego rozruchu, statycznego przyspieszania itp., może on wytworzyć duży moment obrotowy; a podczas jazdy z dużą prędkością może osiągnąć stałą kontrolę prędkości mocy w szerokim zakresie. Tabela 1 porównuje wydajność kilku głównych silników.

Jak widać z Tabeli 1, silniki z magnesami trwałymi mają dobrą niezawodność, szeroki zakres prędkości i wysoką wydajność. W połączeniu z odpowiednią metodą sterowania cały układ silnika może osiągnąć najlepszą wydajność. Dlatego konieczne jest wybranie odpowiedniego algorytmu sterowania w celu uzyskania wydajnej regulacji prędkości, tak aby układ napędowy silnika mógł działać w stosunkowo szerokim obszarze regulacji prędkości i stałym zakresie mocy.

Metoda sterowania wektorowego jest szeroko stosowana w algorytmie sterowania prędkością silnika z magnesami trwałymi. Ma zalety szerokiego zakresu regulacji prędkości, wysokiej wydajności, wysokiej niezawodności, dobrej stabilności i dobrych korzyści ekonomicznych. Jest szeroko stosowana w napędach silnikowych, transporcie kolejowym i serwomechanizmach obrabiarek. Ze względu na różne zastosowania, przyjęta obecnie strategia sterowania wektorowego jest również inna.

4. Charakterystyka silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi ma prostą konstrukcję, niskie straty i wysoki współczynnik mocy. W porównaniu z silnikiem wzbudzenia elektrycznego, ponieważ nie ma szczotek, komutatorów i innych urządzeń, nie jest wymagany reaktywny prąd wzbudzenia, więc prąd stojana i straty rezystancji są mniejsze, sprawność jest wyższa, moment wzbudzenia jest większy, a wydajność sterowania jest lepsza. Istnieją jednak wady, takie jak wysoki koszt i trudności w uruchomieniu. Ze względu na zastosowanie technologii sterowania w silnikach, zwłaszcza zastosowanie układów sterowania wektorowego, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi mogą osiągnąć szeroki zakres regulacji prędkości, szybką reakcję dynamiczną i sterowanie pozycjonowaniem o wysokiej precyzji, więc silniki synchroniczne z magnesami trwałymi przyciągną więcej osób do przeprowadzenia szeroko zakrojonych badań.

5. Charakterystyka techniczna silnika synchronicznego z magnesami trwałymi Anhui Mingteng

a. Silnik ma wysoki współczynnik mocy i wysoki współczynnik jakości sieci energetycznej. Nie jest wymagany żaden kompensator współczynnika mocy, a pojemność urządzeń podstacji może być w pełni wykorzystana;

b. Silnik z magnesami trwałymi jest wzbudzany przez magnesy trwałe i działa synchronicznie. Nie ma pulsacji prędkości, a opór rurociągu nie wzrasta podczas napędzania wentylatorów i pomp;

c. Silnik z magnesami trwałymi może być zaprojektowany z wysokim momentem rozruchowym (ponad 3 razy większym) i dużą przeciążalnością, jeśli jest to potrzebne, rozwiązując w ten sposób zjawisko „dużego konia ciągnącego mały wózek”;

d. Prąd bierny zwykłego silnika asynchronicznego jest na ogół około 0,5-0,7 razy większy od prądu znamionowego. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi Mingteng nie potrzebuje prądu wzbudzenia. Prąd bierny silnika z magnesami trwałymi i silnika asynchronicznego różni się o około 50%, a rzeczywisty prąd roboczy jest o około 15% niższy niż w przypadku silnika asynchronicznego;

e. Silnik może być zaprojektowany do bezpośredniego rozruchu, a wymiary instalacji zewnętrznej są takie same jak w przypadku powszechnie obecnie stosowanych silników asynchronicznych, które mogą w pełni zastąpić silniki asynchroniczne;

f. Dodanie sterownika może zapewnić łagodny start, łagodne zatrzymanie i bezstopniową regulację prędkości, przy dobrej reakcji dynamicznej i dalszym poprawionym efekcie oszczędzania energii;

g. Silnik ma wiele struktur topologicznych, które bezpośrednio odpowiadają podstawowym wymaganiom urządzeń mechanicznych w szerokim zakresie i w ekstremalnych warunkach;

h. Aby zwiększyć wydajność systemu, skrócić łańcuch transmisyjny i zmniejszyć koszty konserwacji, można zaprojektować i wyprodukować silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o wysokiej i niskiej prędkości z napędem bezpośrednim, które spełnią wyższe wymagania użytkowników.

Anhui Mingteng Maszyny Magnetyczne Stałe i Sprzęt Elektryczny Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) została założona w 2007 roku. Jest to przedsiębiorstwo high-tech specjalizujące się w badaniach i rozwoju, produkcji i sprzedaży ultrawydajnych silników synchronicznych z magnesami trwałymi. Firma wykorzystuje nowoczesną teorię projektowania silników, profesjonalne oprogramowanie projektowe i samodzielnie opracowany program projektowania silników z magnesami trwałymi w celu symulacji pola elektromagnetycznego, pola cieczy, pola temperatury, pola naprężeń itp. silnika z magnesami trwałymi, optymalizacji struktury obwodu magnetycznego, poprawy poziomu efektywności energetycznej silnika i fundamentalnego zapewnienia niezawodnego użytkowania silnika z magnesami trwałymi.

Prawa autorskie: Niniejszy artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „Motor Alliance”, oryginalny linkhttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

Niniejszy artykuł nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!