Wraz z rozwojem materiałów z magnesami trwałymi z pierwiastków ziem rzadkich w latach 70. XX wieku, pojawiły się silniki z magnesami trwałymi z pierwiastków ziem rzadkich. Silniki z magnesami trwałymi wykorzystują magnesy trwałe z pierwiastków ziem rzadkich do wzbudzenia, a magnesy trwałe mogą generować trwałe pola magnetyczne po namagnesowaniu. Charakteryzują się one doskonałą wydajnością wzbudzenia i przewyższają silniki z magnesami trwałymi pod względem stabilności, jakości i redukcji strat, co wstrząsnęło rynkiem tradycyjnych silników.

W ostatnich latach, wraz z dynamicznym rozwojem współczesnej nauki i technologii, wydajność i technologia materiałów elektromagnetycznych, zwłaszcza materiałów elektromagnetycznych ziem rzadkich, uległy stopniowej poprawie. W połączeniu z dynamicznym rozwojem elektroniki mocy, technologii przesyłu energii i automatyki, wydajność silników synchronicznych z magnesami trwałymi jest coraz lepsza.

Ponadto silniki synchroniczne z magnesami trwałymi charakteryzują się niską wagą, prostą konstrukcją, niewielkimi rozmiarami, dobrymi parametrami i wysoką gęstością mocy. Wiele instytucji naukowo-badawczych i przedsiębiorstw aktywnie prowadzi badania i rozwój silników synchronicznych z magnesami trwałymi, a obszary ich zastosowań będą się nadal rozszerzać.

1.Podstawy rozwoju silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

a.Zastosowanie wysokowydajnych materiałów z magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich

Materiały z magnesami trwałymi ziem rzadkich przeszły przez trzy etapy: SmCo5, Sm2Co17 i Nd2Fe14B. Obecnie materiały z magnesami trwałymi NdFeB stały się najszerzej 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 szczotki wirnika, pozwala na uzyskanie konstrukcji bezszczotkowej i zmniejsza rozmiar wirnika. Poprawia to gęstość mocy, gęstość momentu obrotowego i sprawność roboczą silnika, a także zmniejsza jego rozmiar i wagę, co dodatkowo rozszerza zakres jego zastosowań i sprzyja rozwojowi silników elektrycznych w kierunku większej mocy.

b.Zastosowanie nowej teorii sterowania

W ostatnich latach algorytmy sterowania dynamicznie się rozwijają. Wśród nich algorytmy sterowania wektorowego rozwiązały problem strategii sterowania silnikami prądu przemiennego, zapewniając im dobrą wydajność sterowania. Pojawienie się bezpośredniego sterowania momentem obrotowym upraszcza strukturę sterowania i charakteryzuje się wysoką wydajnością układu w zakresie zmian parametrów oraz szybką, dynamiczną reakcją momentu obrotowego. Technologia pośredniego sterowania momentem obrotowym rozwiązuje problem dużej pulsacji momentu obrotowego przy niskiej prędkości obrotowej, poprawiając prędkość i dokładność sterowania silnikiem.

c.Zastosowanie wysokowydajnych urządzeń i procesorów elektroniki mocy

Nowoczesna technologia elektroniki mocy stanowi ważny interfejs między przemysłem informatycznym a tradycyjnymi gałęziami przemysłu oraz pomost między prądami o niskim natężeniu a kontrolowanymi prądami o wysokim natężeniu. Rozwój technologii elektroniki mocy umożliwia realizację strategii sterowania napędami.

W latach 70. XX wieku pojawiła się seria falowników ogólnego przeznaczenia, które mogły przetwarzać moc o częstotliwości przemysłowej na moc o zmiennej częstotliwości z płynną regulacją częstotliwości, tworząc w ten sposób warunki do regulacji prędkości prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości. Falowniki te posiadają funkcję łagodnego rozruchu po ustawieniu częstotliwości, a częstotliwość może rosnąć od zera do zadanej częstotliwości w określonym tempie, a tempo wzrostu można płynnie regulować 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 wydajność materiałów z magnesami trwałymi była stosunkowo niska, a siła koercji i remanencja magnesów trwałych były zbyt niskie, dlatego wkrótce zastąpiono je silnikami wzbudzanymi elektrycznie.

W latach 70. XX wieku magnesy trwałe z metali ziem rzadkich, takie jak NdFeB, charakteryzowały się dużą koercją, remanencją, silną zdolnością do rozmagnesowania i wysokim produktem energii magnetycznej, co sprawiło, że silniki synchroniczne z magnesami trwałymi dużej mocy stały się faktem. Obecnie badania nad silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi stają się coraz bardziej zaawansowane i rozwijają się w kierunku wysokiej prędkości, wysokiego momentu obrotowego, dużej mocy i wysokiej sprawności.

W ostatnich latach, dzięki znacznym inwestycjom krajowych naukowców i rządu, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi dynamicznie się rozwinęły. Wraz z rozwojem technologii mikrokomputerowej i automatyki, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. Wraz z postępem społecznym, wymagania stawiane silnikom synchronicznym z magnesami trwałymi stały się bardziej rygorystyczne, co skłoniło je do rozwoju w kierunku szerszego zakresu regulacji prędkości i wyższej precyzji sterowania. Dzięki udoskonaleniu obecnych procesów produkcyjnych, wysokowydajne materiały z magnesami trwałymi zostały udoskonalone. To znacznie obniżyło ich koszt i pozwoliło na stopniowe zastosowanie w różnych dziedzinach życia.

3. Obecna technologia

a. Technologia projektowania silników synchronicznych z magnesami trwałymi

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

Wśród nich silniki z wbudowanymi magnesami trwałymi charakteryzują się wysoką sprawnością, wysokim współczynnikiem mocy, dużą gęstością mocy jednostkowej, możliwością silnego rozszerzania prędkości w zakresie słabego pola magnetycznego i szybką dynamiczną szybkością reakcji, co czyni je idealnym wyborem do napędzania silników.

Magnesy trwałe zapewniają pełne pole magnetyczne wzbudzenia silników z magnesami trwałymi, a moment zaczepowy zwiększa wibracje i hałas silnika podczas pracy. Nadmierny moment zaczepowy wpływa na wydajność układu sterowania prędkością silnika przy niskich prędkościach obrotowych oraz na precyzję pozycjonowania układu sterowania położeniem. Dlatego podczas projektowania silnika należy jak najbardziej zminimalizować moment zaczepowy poprzez optymalizację.

Według badań, ogólne metody redukcji momentu zaczepowego obejmują zmianę współczynnika łuku biegunowego, zmniejszenie szerokości żłobka stojana, dopasowanie żłobka skośnego do żłobka biegunowego, zmianę położenia, rozmiaru i kształtu bieguna magnetycznego itp. Należy jednak pamiętać, że redukcja momentu zaczepowego może wpłynąć na inne parametry silnika, takie jak spadek momentu elektromagnetycznego. Dlatego podczas projektowania należy jak najlepiej 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 współczynnik strumienia rozproszenia bez obciążenia i współczynnik łuku biegunowego. Zazwyczaj do obliczania i optymalizacji parametrów silników z magnesami trwałymi wykorzystuje się oprogramowanie do analizy metodą elementów skończonych. Oprogramowanie do analizy metodą elementów skończonych umożliwia bardzo dokładne obliczenie parametrów silnika i jest bardzo niezawodne w analizie wpływu parametrów silnika na jego wydajność.

Metoda elementów skończonych ułatwia, przyspiesza i zwiększa dokładność obliczania i analizy pola elektromagnetycznego silników. Jest to metoda numeryczna opracowana na podstawie metody różnicowej, która jest szeroko stosowana w nauce i inżynierii. Wykorzystuje metody matematyczne do dyskretyzacji pewnych obszarów rozwiązań ciągłych na grupy jednostek, a następnie interpoluje je w każdej jednostce. W ten sposób powstaje liniowa funkcja interpolacji, czyli funkcja przybliżona jest symulowana i analizowana za pomocą 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 ogromne znaczenie dla rozwoju dziedziny sterowania przemysłowego. Umożliwia ona sterowanie systemem z najwyższą wydajnością. Jego podstawowe cechy odzwierciedlają się w niskiej prędkości obrotowej, zwłaszcza w przypadku szybkiego rozruchu, przyspieszania statycznego itp., a także w możliwości generowania dużego momentu obrotowego; a podczas jazdy z dużą prędkością, pozwala na uzyskanie stałej mocy i kontroli prędkości w szerokim zakresie. Tabela 1 porównuje wydajność kilku głównych silników.

Jak wynika z tabeli 1, silniki z magnesami trwałymi charakteryzują się wysoką niezawodnością, szerokim zakresem prędkości obrotowych i wysoką sprawnością. W połączeniu z odpowiednią metodą sterowania, cały układ napędowy może osiągnąć najwyższą wydajność. Dlatego konieczny jest dobór odpowiedniego algorytmu sterowania, aby uzyskać efektywną regulację prędkości, tak aby układ napędowy mógł pracować w stosunkowo szerokim zakresie regulacji prędkości i przy stałej mocy.

Metoda sterowania wektorowego jest szeroko stosowana w algorytmach regulacji prędkości silników z magnesami trwałymi. Jej zalety to szeroki zakres regulacji prędkości, wysoka sprawność, wysoka niezawodność, dobra stabilność i korzystne korzyści ekonomiczne. Jest ona powszechnie stosowana w napędach silników, transporcie kolejowym i serwonapędach obrabiarek. Ze względu na zróżnicowane zastosowania, obecnie stosowana strategia sterowania wektorowego również jest zróżnicowana.

4. Charakterystyka silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi charakteryzuje się prostą konstrukcją, niskimi stratami i wysokim współczynnikiem mocy. W porównaniu z silnikiem elektrycznym, ze względu na brak szczotek, komutatorów i innych elementów, nie wymaga biernego prądu wzbudzenia, co przekłada się na mniejsze straty prądu stojana i rezystancji, wyższą sprawność, większy moment wzbudzenia i lepszą kontrolę. Silniki te mają jednak wady, takie jak wysoki koszt i trudności z rozruchem. Dzięki zastosowaniu technologii sterowania w silnikach, a zwłaszcza układów sterowania wektorowego, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi zapewniają szeroki zakres regulacji prędkości, szybką reakcję dynamiczną i precyzyjne sterowanie położeniem, co sprawia, że ​​silniki synchroniczne z magnesami trwałymi przyciągają coraz więcej osób do prowadzenia szeroko zakrojonych badań.

5. Charakterystyka techniczna silnika synchronicznego z magnesami trwałymi Anhui Mingteng

a. Silnik charakteryzuje się wysokim współczynnikiem mocy i wysoką jakością sieci elektroenergetycznej. Nie jest wymagany kompensator współczynnika mocy, a moc urządzeń podstacji może być w pełni wykorzystana;

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

c. Silnik z magnesami trwałymi można zaprojektować z wysokim momentem rozruchowym (ponad trzykrotnie większym) i w razie potrzeby dużą przeciążalnością, rozwiązując w ten sposób zjawisko „dużego konia ciągnącego mały wózek”;

d. Prąd bierny zwykłego silnika asynchronicznego jest zazwyczaj około 0,5-0,7 razy większy od prądu znamionowego. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi Mingteng nie wymaga 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 zewnętrzne instalacji 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 jeszcze lepszym efekcie oszczędzania energii;

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

h. Aby zwiększyć wydajność systemu, skrócić łańcuch przekładni i zmniejszyć koszty konserwacji, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o dużej i małej prędkości z napędem bezpośrednim mogą być projektowane i produkowane w sposób spełniający wyższe wymagania użytkowników.

Anhui Mingteng Permanent-Magnetic Machinery&Electrical Equipment Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) została założona w 2007 roku. Jest to zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo specjalizujące się w badaniach i rozwoju, produkcji i sprzedaży ultrawydajnych silników synchronicznych z magnesami trwałymi. Firma wykorzystuje nowoczesną teorię projektowania silników, profesjonalne oprogramowanie projektowe oraz autorski program do projektowania silników z magnesami trwałymi, aby symulować pole elektromagnetyczne, pole cieczy, pole temperatury, pole naprężeń itp. silnika z magnesami trwałymi, optymalizować strukturę obwodu magnetycznego, poprawiać poziom sprawności energetycznej silnika i zapewniać jego niezawodne działanie.

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

Niniejszy artykuł nie odzwierciedla poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, prosimy o ich skorygowanie!