Wraz z rozwojem materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich w latach 70. XX wieku powstały silniki z magnesami trwałymi ziem rzadkich. Silniki z magnesami trwałymi do wzbudzenia wykorzystują magnesy trwałe ziem rzadkich, a magnesy trwałe mogą generować stałe pola magnetyczne po namagnesowaniu. Jego parametry wzbudzenia są doskonałe i przewyższają silniki o wzbudzeniu elektrycznym pod względem stabilności, jakości i redukcji strat, co wstrząsnęło tradycyjnym rynkiem silników.

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem współczesnej nauki i technologii, stopniowo poprawiano wydajność i technologię materiałów elektromagnetycznych, zwłaszcza materiałów elektromagnetycznych ziem rzadkich. W połączeniu z szybkim rozwojem energoelektroniki, technologii przenoszenia mocy i technologii automatycznego sterowania, wydajność silników synchronicznych z magnesami trwałymi jest coraz lepsza.

Ponadto silniki synchroniczne z magnesami trwałymi mają zalety lekkości, prostej konstrukcji, małych rozmiarów, dobrych właściwości i dużej gęstości mocy. Wiele instytucji naukowo-badawczych i przedsiębiorstw aktywnie prowadzi badania i rozwój silników synchronicznych z magnesami trwałymi, a obszary ich 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 najpowszechniej stosowanym rodzajem materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich ze względu na ich doskonałe właściwości magnetyczne. Rozwój materiałów z magnesami trwałymi przyczynił się do rozwoju silników z magnesami trwałymi.

W porównaniu z tradycyjnym trójfazowym silnikiem indukcyjnym ze wzbudzeniem elektrycznym, magnes trwały zastępuje biegun wzbudzenia elektrycznego, upraszcza konstrukcję, eliminuje pierścień ślizgowy i szczotkę wirnika, realizuje konstrukcję bezszczotkową 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 dodatkowo rozszerza jego zakres zastosowań i promuje rozwój silników elektrycznych w kierunku wyższych mocy.

b.Zastosowanie nowej teorii sterowania

W ostatnich latach algorytmy sterujące szybko się rozwinęły. Wśród nich algorytmy sterowania wektorowego rozwiązały w zasadzie problem strategii jazdy silników prądu przemiennego, dzięki czemu silniki prądu przemiennego mają dobrą wydajność sterowania. Pojawienie się bezpośredniego sterowania momentem upraszcza strukturę sterowania i charakteryzuje się dobrą wydajnością obwodu w przypadku zmian parametrów i dużą szybkością dynamicznej reakcji momentu obrotowego. Technologia pośredniej kontroli momentu obrotowego rozwiązuje problem dużej pulsacji momentu bezpośredniego przy niskiej prędkości oraz poprawia prędkość i dokładność sterowania silnika.

c.Zastosowanie wysokowydajnych urządzeń i procesorów energoelektronicznych

Nowoczesna technologia energoelektroniki stanowi ważny interfejs pomiędzy przemysłem informacyjnym a przemysłem tradycyjnym oraz pomost pomiędzy prądem słabym a kontrolowanym prądem silnym. Rozwój technologii energoelektroniki umożliwia realizację strategii sterowania napędami.

W latach 70. pojawiła się seria falowników ogólnego przeznaczenia, które mogły przetwarzać moc częstotliwości przemysłowej na moc o zmiennej częstotliwości o płynnie regulowanej częstotliwości, tworząc w ten sposób warunki do regulacji prędkości prądu przemiennego ze zmienną częstotliwością. Falowniki te mają funkcję łagodnego rozruchu po ustawieniu częstotliwości, a częstotliwość może wzrosnąć od zera do ustawionej częstotliwości z określoną szybkością, a szybkość narastania można regulować w sposób ciągły 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 magnesami trwałymi. W tamtym czasie właściwości materiałów z magnesami trwałymi były stosunkowo słabe, a siła koercji i remanencja magnesów trwałych były zbyt niskie, dlatego wkrótce zastąpiono je silnikami o wzbudzeniu elektrycznym.

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

W ostatnich latach, dzięki dużym inwestycjom krajowych naukowców i rządu, szybko rozwinęły się silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Wraz z rozwojem technologii mikrokomputerowej i technologii automatycznego sterowania, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi stały się szeroko stosowane w różnych dziedzinach. Ze względu na postęp społeczny 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. Dzięki udoskonalaniu obecnych procesów produkcyjnych, udoskonalono wysokowydajne materiały na magnesy trwałe. To znacznie obniża jego koszt i stopniowo stosuje go w różnych dziedzinach życia.

3. Aktualna technologia

A. Technologia projektowania silników synchronicznych z magnesami trwałymi

W porównaniu ze zwykłymi silnikami elektrycznymi wzbudzenia, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi nie mają uzwojeń wzbudzenia elektrycznego, pierścieni kolektora i szafek wzbudzenia, co znacznie poprawia nie tylko stabilność i niezawodność, ale także wydajność.

Wśród nich wbudowane silniki z magnesami trwałymi mają zalety wysokiej wydajności, wysokiego współczynnika mocy, dużej gęstości mocy jednostkowej, dużej zdolności do zwiększania prędkości przy słabym magnesie i dużej szybkości reakcji dynamicznej, co czyni je idealnym wyborem do silników napędowych.

Magnesy trwałe zapewniają całe pole magnetyczne wzbudzenia silników z magnesami trwałymi, a moment zaczepowy zwiększa wibracje i hałas silnika podczas pracy. Nadmierny moment zaczepowy będzie miał wpływ na działanie układu sterowania prędkością silnika przy niskich prędkościach oraz na wysoką precyzję pozycjonowania układu sterowania położeniem. Dlatego przy projektowaniu silnika należy w miarę możliwości zmniejszyć moment zaczepowy poprzez optymalizację silnika.

Według badań, ogólne metody zmniejszania momentu zaczepowego obejmują zmianę współczynnika łuku biegunowego, zmniejszenie szerokości szczeliny stojana, dopasowanie szczeliny skośnej do szczeliny biegunowej, zmianę położenia, rozmiaru i kształtu bieguna magnetycznego itp. Jednakże należy zauważyć, że zmniejszenie momentu zaczepowego może mieć wpływ na inne parametry pracy silnika, np. moment elektromagnetyczny może odpowiednio się zmniejszyć. Dlatego podczas projektowania należy w jak największym stopniu zrównoważyć różne czynniki, aby osiągnąć najlepszą wydajność silnika.

b. Technologia symulacji silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

Obecność magnesów trwałych w silnikach z magnesami trwałymi utrudnia projektantom obliczenie parametrów, takich jak obliczenie współczynnika strumienia rozproszenia bez obciążenia i współczynnika łuku biegunowego. Ogólnie rzecz biorąc, oprogramowanie do analizy elementów skończonych służy do obliczania i optymalizacji parametrów silników z magnesami trwałymi. Oprogramowanie do analizy elementów skończonych może bardzo dokładnie obliczyć parametry silnika, a jego wykorzystanie do analizy wpływu parametrów silnika na wydajność jest bardzo niezawodne.

Metoda obliczeń metodą elementów skończonych pozwala nam łatwiej, szybciej i dokładniej obliczać i analizować pole elektromagnetyczne silników. Jest to metoda numeryczna opracowana w oparciu o metodę różnicową i znalazła szerokie zastosowanie w nauce i inżynierii. Użyj metod matematycznych, aby dyskretizować pewne ciągłe domeny rozwiązań na grupy jednostek, a następnie interpoluj w każdej jednostce. W ten sposób powstaje funkcja interpolacji liniowej, czyli symulowana i analizowana jest funkcja przybliżona za pomocą elementów skończonych, co pozwala intuicyjnie obserwować kierunek linii pola magnetycznego i rozkład gęstości strumienia magnetycznego wewnątrz silnika.

c. Technologia sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi

Duże znaczenie dla rozwoju dziedziny sterowania przemysłowego ma także doskonalenie wydajności silników napędowych. Umożliwia pracę systemu z najlepszą wydajnością. Jego podstawowe cechy znajdują odzwierciedlenie w niskiej prędkości, szczególnie w przypadku szybkiego rozruchu, przyspieszania statycznego itp., może generować 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 charakteryzują się dobrą niezawodnością, szerokim zakresem prędkości i wysoką wydajnością. W połączeniu z odpowiednią metodą sterowania cały układ silnika może osiągnąć najlepszą wydajność. W związku z tym konieczne jest dobranie odpowiedniego algorytmu sterowania, aby uzyskać efektywną regulację prędkości obrotowej, tak aby silnikowy układ napędowy mógł pracować 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 stosowany w napędach silnikowych, transporcie kolejowym i serwomechanizmach obrabiarek. Ze względu na różne zastosowania, obecnie przyjęta 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 elektrycznym silnikiem wzbudzonym, ponieważ nie ma tam szczotek, komutatorów i innych urządzeń, nie jest wymagany reaktywny prąd wzbudzenia, więc prąd stojana i straty rezystancji są mniejsze, wydajność jest wyższa, moment wzbudzenia jest większy, a wydajność sterowania jest lepszy. Istnieją jednak wady, takie jak wysoki koszt i trudność w uruchomieniu. Dzięki zastosowaniu technologii sterowania w silnikach, zwłaszcza zastosowaniu systemów sterowania wektorowego, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi mogą osiągnąć szeroki zakres regulacji prędkości, szybką reakcję dynamiczną i precyzyjną kontrolę pozycjonowania, dzięki czemu silniki synchroniczne z magnesami trwałymi przyciągną więcej osób do prowadzenia obszerne badania.

5. Charakterystyka techniczna silnika synchronicznego z magnesami trwałymi Anhui Mingteng

A. Silnik charakteryzuje się wysokim współczynnikiem mocy i wysokim współczynnikiem jakości sieci energetycznej. Nie jest wymagany kompensator współczynnika mocy, a pojemność wyposażenia 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 zwiększa się podczas napędzania wentylatorów i pomp;

C. Silnik z magnesami trwałymi można zaprojektować z wysokim momentem rozruchowym (ponad 3-krotnym) i w razie potrzeby dużą przeciążalnością, rozwiązując w ten sposób zjawisko „wielkiego konia ciągnącego mały wóz”;

D. Prąd bierny zwykłego silnika asynchronicznego jest zwykle 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;

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

F. Dodanie sterownika pozwala uzyskać łagodny start, łagodne zatrzymanie i bezstopniową regulację prędkości, z dobrą dynamiczną reakcją i jeszcze lepszym efektem oszczędzania energii;

G. Silnik ma wiele struktur topologicznych, które bezpośrednio spełniają podstawowe wymagania urządzeń mechanicznych w szerokim zakresie i w ekstremalnych warunkach;

H. Aby poprawić wydajność systemu, skrócić łańcuch przekładni i zmniejszyć koszty konserwacji, można zaprojektować i wyprodukować silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o dużej i niskiej prędkości z napędem bezpośrednim, aby spełnić wyższe wymagania użytkowników.

Anhui Mingteng Permanent-Magnetic Machinery&Electrical Equipment Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) została założona w 2007 roku. Jest przedsiębiorstwem high-tech specjalizującym się w badaniach i rozwoju, produkcji i sprzedaży silników synchronicznych z magnesami trwałymi o ultrawysokiej sprawności. Firma wykorzystuje nowoczesną teorię projektowania silników, profesjonalne oprogramowanie do projektowania i samodzielnie opracowany program do projektowania silników z magnesami trwałymi do symulacji pola elektromagnetycznego, pola cieczy, pola temperatury, pola naprężeń itp. silnika z magnesami trwałymi, optymalizacji struktury obwodu magnetycznego, poprawy poziom efektywności energetycznej silnika i zasadniczo zapewniają niezawodne użytkowanie silnika z magnesami trwałymi.

Prawa autorskie: ten artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „Motor Alliance”, oryginalnego linkuhttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

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