Развитието на двигателите с постоянни магнити е тясно свързано с разработването на материалите с постоянни магнити. Китай е първата страна в света, която открива магнитните свойства на материалите с постоянни магнити и ги прилага на практика. Преди повече от 2000 години Китай използва магнитните свойства на материалите с постоянни магнити, за да създава компаси, които играят огромна роля в навигацията, военните и други области и се превръщат в едно от четирите велики изобретения на древен Китай.
Първият двигател в света, появил се през 20-те години на миналия век, е бил двигател с постоянен магнит, който е използвал постоянни магнити за генериране на възбуждащи магнитни полета. Материалът за постоянните магнити, използван по това време, обаче е бил естествен магнетит (Fe3O4), който е имал много ниска магнитна енергийна плътност. Двигателят, направен от него, е бил с големи размери и скоро е бил заменен от електрически възбуждащ двигател.
С бързото развитие на различни двигатели и изобретяването на настоящи магнетизатори, хората са провели задълбочени изследвания върху механизма, състава и технологията на производство на постоянни магнитни материали и последователно са открили разнообразие от постоянни магнитни материали, като въглеродна стомана, волфрамова стомана (максимален магнитен енергиен продукт от около 2,7 kJ/m3) и кобалтова стомана (максимален магнитен енергиен продукт от около 7,2 kJ/m3).
По-специално, появата на постоянни магнити от алуминий-никел-кобалт през 30-те години на миналия век (максималният магнитен енергиен продукт може да достигне 85 kJ/m3) и феритни постоянни магнити през 50-те години на миналия век (максималният магнитен енергиен продукт може да достигне 40 kJ/m3) значително подобри магнитните свойства и различни микро и малки двигатели започнаха да използват възбуждане с постоянен магнит. Мощността на двигателите с постоянни магнити варира от няколко миливата до десетки киловати. Те се използват широко във военното, промишленото и селскостопанското производство и ежедневието, а производителността им се увеличи драстично.
Съответно, през този период са направени пробиви в теорията на проектиране, методите за изчисление, намагнитването и технологията на производство на двигатели с постоянни магнити, формирайки набор от методи за анализ и изследване, представени от метода на диаграмата на работата на постоянните магнити. Коерцитивната сила на постоянните магнити от AlNiCo обаче е ниска (36-160 kA/m), а остатъчната магнитна плътност на феритните постоянни магнити не е висока (0,2-0,44 T), което ограничава обхвата им на приложение в двигателите.
Едва през 60-те и 80-те години на миналия век се появяват един след друг постоянните магнити от редкоземен кобалт и постоянните магнити от неодим, желязо и бор (наричани общо постоянни магнити от редкоземен метал). Техните отлични магнитни свойства, като висока остатъчна магнитна плътност, висока коерцитивна сила, висок магнитен енергиен продукт и линейна крива на размагнитване, са особено подходящи за производството на двигатели, като по този начин се поставя началото на нов исторически период в развитието на двигателите с постоянни магнити.
1. Постоянни магнитни материали
Материалите за постоянни магнити, често използвани в двигателите, включват синтеровани магнити и свързани магнити, като основните видове са алуминий, никел, кобалт, ферит, самариев кобалт, неодим, желязо, бор и др.
Alnico: Alnico е един от най-ранните широко използвани материали за постоянни магнити, а процесът и технологията му на приготвяне са сравнително зрели.
Постоянен ферит: През 50-те години на миналия век феритът започва да процъфтява, особено през 70-те години на миналия век, когато стронциевият ферит с добра коерцитивност и магнитни енергийни характеристики е пуснат в производство в големи количества, което бързо разширява употребата на постоянен ферит. Като неметален магнитен материал, феритът няма недостатъците на лесното окисляване, ниската температура на Кюри и високата цена на металните материали за постоянни магнити, така че е много популярен.
Самарий кобалт: Постоянен магнитен материал с отлични магнитни свойства, появил се в средата на 60-те години на миналия век и има много стабилни характеристики. Самарий кобалтът е особено подходящ за производство на двигатели по отношение на магнитните си свойства, но поради високата си цена се използва главно в изследванията и разработването на военни двигатели, като например в авиацията, космическата промишленост и оръжията, както и двигатели във високотехнологични области, където високата производителност и цената не са основен фактор.
NdFeB: Магнитният материал NdFeB е сплав от неодим, железен оксид и др., известен още като магнитна стомана. Той има изключително висок магнитен енергиен продукт и коерцитивна сила. В същото време, предимствата на високата енергийна плътност правят постоянните магнитни материали NdFeB широко използвани в съвременната индустрия и електронните технологии, което прави възможно миниатюризирането, олекотяването и изтъняването на оборудване като инструменти, електроакустични двигатели, магнитно разделяне и намагнитване. Тъй като съдържа голямо количество неодим и желязо, лесно ръждясва. Повърхностната химическа пасивация е едно от най-добрите решения в момента.
Устойчивост на корозия, максимална работна температура, производителност на обработка, форма на кривата на размагнитване,
и сравнение на цените на често използвани материали с постоянни магнити за двигатели (Фигура)
2.Влиянието на формата и толеранса на магнитната стомана върху работата на двигателя
1. Влияние на дебелината на магнитната стомана
Когато вътрешната или външната магнитна верига е фиксирана, въздушната междина намалява и ефективният магнитен поток се увеличава с увеличаване на дебелината. Очевидната проява е, че скоростта на празен ход намалява, токът на празен ход намалява при същия остатъчен магнетизъм, а максималната ефективност на двигателя се увеличава. Съществуват обаче и недостатъци, като например повишени комутационни вибрации на двигателя и относително по-стръмна крива на ефективност. Следователно, дебелината на магнитната стомана на двигателя трябва да бъде възможно най-равномерна, за да се намалят вибрациите.
2. Влияние на ширината на магнитната стомана
При близко разположени магнити за безчеткови двигатели, общата кумулативна празнина не може да надвишава 0,5 мм. Ако е твърде малка, двигателят няма да бъде инсталиран. Ако е твърде голяма, двигателят ще вибрира и ще намали ефективността. Това е така, защото позицията на елемента на Хол, който измерва позицията на магнита, не съответства на действителната позиция на магнита и ширината трябва да е еднаква, в противен случай двигателят ще има ниска ефективност и големи вибрации.
При четковите двигатели има определена празнина между магнитите, която е запазена за преходната зона на механичната комутация. Въпреки че има празнина, повечето производители имат строги процедури за монтаж на магнити, за да гарантират точността на монтажа и да осигурят точното положение на монтажа на магнита на двигателя. Ако ширината на магнита е по-голяма, той няма да бъде монтиран; ако ширината на магнита е твърде малка, това ще доведе до неправилно подравняване на магнита, двигателят ще вибрира повече и ефективността ще бъде намалена.
3. Влиянието на размера на фаската на магнитна стомана и липсата на фаска
Ако фаската не е направена, скоростта на промяна на магнитното поле в края на двигателя ще бъде голяма, което ще доведе до пулсации на двигателя. Колкото по-голяма е фаската, толкова по-малки са вибрациите. Фаската обаче обикновено води до известна загуба на магнитен поток. За някои спецификации загубата на магнитен поток е 0,5~1,5%, когато фаската е 0,8. При четкови двигатели с нисък остатъчен магнетизъм, подходящото намаляване на размера на фаската ще помогне за компенсиране на остатъчния магнетизъм, но пулсациите на двигателя ще се увеличат. Най-общо казано, когато остатъчният магнетизъм е нисък, толерансът в посока на дължината може да бъде подходящо увеличен, което може да увеличи до известна степен ефективния магнитен поток и да запази производителността на двигателя практически непроменена.
3. Бележки относно двигателите с постоянни магнити
1. Изчисляване на структурата и дизайна на магнитната верига
За да се разгърнат пълноценно магнитните свойства на различни материали с постоянни магнити, особено отличните магнитни свойства на редкоземните постоянни магнити, и да се произведат рентабилни двигатели с постоянни магнити, не е възможно просто да се приложат методите за изчисляване на структурата и дизайна на традиционните двигатели с постоянни магнити или двигатели с електромагнитно възбуждане. Необходимо е да се разработят нови дизайнерски концепции, за да се преанализира и подобри структурата на магнитната верига. С бързото развитие на компютърните хардуерни и софтуерни технологии, както и с непрекъснатото усъвършенстване на съвременните методи за проектиране, като числено изчисление на електромагнитно поле, технология за оптимизационно проектиране и симулация, и чрез съвместните усилия на академичните и инженерните общности в областта на моторните превозни средства, бяха постигнати пробиви в теорията на проектиране, методите за изчисление, структурните процеси и технологиите за управление на двигателите с постоянни магнити, като се формира пълен набор от методи за анализ и изследване и компютърно подпомогнат софтуер за анализ и проектиране, който комбинира числено изчисление на електромагнитно поле и аналитично решение на еквивалентна магнитна верига и се усъвършенства непрекъснато.
2. Проблем с необратимото размагнетизиране
Ако проектирането или употребата са неправилни, двигателят с постоянни магнити може да причини необратимо размагнетизиране или демагнетизиране, когато температурата е твърде висока (постоянен NdFeB магнит) или твърде ниска (постоянен феритен магнит), под въздействието на реакцията на котвата, причинена от ударния ток, или под въздействието на силни механични вибрации, което ще намали производителността на двигателя и дори ще го направи неизползваем. Следователно е необходимо да се проучат и разработят методи и устройства, подходящи за производителите на двигатели, за да се провери термичната стабилност на материалите с постоянни магнити и да се анализират антидемагнетизиращите способности на различни структурни форми, така че да могат да се вземат съответните мерки по време на проектирането и производството, за да се гарантира, че двигателят с постоянни магнити не губи магнетизъм.
3. Проблеми с разходите
Тъй като постоянните магнити от редкоземни елементи все още са сравнително скъпи, цената на двигателите с постоянни магнити от редкоземни елементи обикновено е по-висока от тази на двигателите с електрическо възбуждане, което трябва да се компенсира от високата им производителност и спестяванията от експлоатационни разходи. В някои случаи, като например двигатели с гласови бобини за компютърни дискови устройства, използването на постоянни магнити NdFeB подобрява производителността, значително намалява обема и масата и намалява общите разходи. При проектирането е необходимо да се направи сравнение на производителността и цената въз основа на специфичните случаи на употреба и изисквания, както и да се въведат иновации в структурните процеси и да се оптимизират проектите, за да се намалят разходите.
Anhui Mingteng Електромеханично оборудване с постоянен магнит, ООД (https://www.mingtengmotor.com/). Скоростта на размагнитване на магнитната стомана на двигателя с постоянен магнит е не повече от една хилядна годишно.
Материалът на постоянния магнит на ротора на двигателя с постоянен магнит на нашата компания е синтерован NdFeB с висок магнитен енергиен продукт и висока вътрешна коерцитивност, а конвенционалните марки са N38SH, N38UH, N40UH, N42UH и др. Вземете N38SH, често използвана марка на нашата компания, като пример: 38- представлява максималния магнитен енергиен продукт на 38MGOe; SH представлява максимална температурна устойчивост от 150℃. UH има максимална температурна устойчивост от 180℃. Компанията е проектирала професионални инструменти и направляващи приспособления за монтаж на магнитна стомана и е анализирала качествено полярността на сглобената магнитна стомана с разумни средства, така че относителната стойност на магнитния поток на всяка магнитна стомана в слота да е близка, което гарантира симетрията на магнитната верига и качеството на монтажа на магнитната стомана.
Авторско право: Тази статия е препечатка на публичния номер на WeChat „Today's Motor“, оригиналната връзка https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg
Тази статия не представлява гледната точка на нашата компания. Ако имате различни мнения или възгледи, моля, поправете ни!
Време на публикуване: 30 август 2024 г.