Разработка двигателей с постоянными магнитами тесно связана с разработкой материалов с постоянными магнитами. Китай является первой страной в мире, которая открыла магнитные свойства материалов с постоянными магнитами и применила их на практике. Более 2000 лет назад Китай использовал магнитные свойства материалов с постоянными магнитами для создания компасов, которые сыграли огромную роль в навигации, военном деле и других областях и стали одним из четырех великих изобретений древнего Китая.
Первый двигатель в мире, появившийся в 1920-х годах, был двигателем с постоянными магнитами, который использовал постоянные магниты для создания возбуждающих магнитных полей. Однако материалом для постоянных магнитов, который использовался в то время, был природный магнетит (Fe3O4), который имел очень низкую плотность магнитной энергии. Двигатель, изготовленный из него, был большого размера и вскоре был заменен двигателем с электрическим возбуждением.
С быстрым развитием различных двигателей и изобретением намагничивающих устройств люди провели глубокие исследования механизма, состава и технологии производства постоянных магнитных материалов и успешно открыли целый ряд постоянных магнитных материалов, таких как углеродистая сталь, вольфрамовая сталь (максимальное произведение магнитной энергии около 2,7 кДж/м3) и кобальтовая сталь (максимальное произведение магнитной энергии около 7,2 кДж/м3).
В частности, появление в 1930-х годах постоянных магнитов из алюминия, никеля и кобальта (максимальное магнитное энергетическое произведение может достигать 85 кДж/м3) и ферритовых постоянных магнитов в 1950-х годах (максимальное магнитное энергетическое произведение может достигать 40 кДж/м3) значительно улучшило магнитные свойства, и различные микро- и малые двигатели начали использовать возбуждение постоянными магнитами. Мощность двигателей с постоянными магнитами составляет от нескольких милливатт до десятков киловатт. Они широко используются в военном, промышленном и сельскохозяйственном производстве и повседневной жизни, а их выход резко возрос.
Соответственно, в этот период были достигнуты прорывы в теории проектирования, методах расчета, намагничивания и технологии изготовления двигателей с постоянными магнитами, сформировав совокупность методов анализа и исследования, представленных методом диаграммы работы постоянного магнита. Однако коэрцитивная сила постоянных магнитов AlNiCo низкая (36-160 кА/м), а остаточная магнитная плотность ферритовых постоянных магнитов невысока (0,2-0,44 Тл), что ограничивает область их применения в двигателях.
Только в 1960-х и 1980-х годах редкоземельные кобальтовые постоянные магниты и неодимовые железо-боровые постоянные магниты (совместно именуемые редкоземельными постоянными магнитами) вышли один за другим. Их превосходные магнитные свойства высокой остаточной магнитной плотности, высокой коэрцитивной силы, высокого магнитного энергетического произведения и линейной кривой размагничивания особенно подходят для производства двигателей, тем самым открывая новый исторический период развития двигателей с постоянными магнитами.
1.Постоянные магнитные материалы
Материалы постоянных магнитов, обычно используемые в двигателях, включают спеченные магниты и магнитопластовые пластины, основными типами которых являются алюминий-никель-кобальт, феррит, самарий-кобальт, неодим-железо-бор и т. д.
Альнико: Материал для постоянных магнитов альнико является одним из первых широко используемых материалов для постоянных магнитов, а процесс и технология его изготовления относительно отработаны.
Постоянный феррит: В 1950-х годах феррит начал процветать, особенно в 1970-х годах, когда стронциевый феррит с хорошей коэрцитивной силой и магнитной энергией был запущен в производство в больших количествах, что быстро расширило использование постоянного феррита. Как неметаллический магнитный материал, феррит не имеет недостатков легкого окисления, низкой температуры Кюри и высокой стоимости металлических постоянных магнитных материалов, поэтому он очень популярен.
Самарий-кобальт: постоянный магнитный материал с превосходными магнитными свойствами, который появился в середине 1960-х годов и имеет очень стабильную производительность. Самарий-кобальт особенно подходит для производства двигателей с точки зрения магнитных свойств, но из-за своей высокой цены он в основном используется в исследованиях и разработках военных двигателей, таких как авиационные, аэрокосмические и оружейные, а также двигателей в высокотехнологичных областях, где высокая производительность и цена не являются главным фактором.
NdFeB: Магнитный материал NdFeB представляет собой сплав неодима, оксида железа и т. д., также известный как магнитная сталь. Он имеет чрезвычайно высокое магнитное энергетическое произведение и коэрцитивную силу. В то же время преимущества высокой плотности энергии делают постоянные магнитные материалы NdFeB широко используемыми в современной промышленности и электронных технологиях, позволяя миниатюризировать, облегчать и утончать оборудование, такое как приборы, электроакустические двигатели, магнитную сепарацию и намагничивание. Поскольку он содержит большое количество неодима и железа, он легко ржавеет. Поверхностная химическая пассивация является одним из лучших решений в настоящее время.
Коррозионная стойкость, максимальная рабочая температура, производительность обработки, форма кривой размагничивания,
и сравнение цен на наиболее часто используемые материалы постоянных магнитов для двигателей (рисунок)
2.Влияние формы и допусков магнитной стали на производительность двигателя
1. Влияние толщины магнитной стали
Когда внутренняя или внешняя магнитная цепь фиксирована, воздушный зазор уменьшается, а эффективный магнитный поток увеличивается при увеличении толщины. Очевидным проявлением является то, что скорость холостого хода уменьшается, а ток холостого хода уменьшается при том же остаточном магнетизме, а максимальная эффективность двигателя увеличивается. Однако есть и недостатки, такие как повышенная коммутационная вибрация двигателя и относительно более крутая кривая эффективности двигателя. Поэтому толщина магнитной стали двигателя должна быть максимально постоянной, чтобы уменьшить вибрацию.
2.Влияние ширины магнитной стали
Для близко расположенных бесщеточных магнитов двигателя общий кумулятивный зазор не может превышать 0,5 мм. Если он слишком мал, он не будет установлен. Если он слишком велик, двигатель будет вибрировать и снижать эффективность. Это происходит потому, что положение элемента Холла, который измеряет положение магнита, не соответствует фактическому положению магнита, а ширина должна быть постоянной, в противном случае двигатель будет иметь низкую эффективность и большую вибрацию.
Для щеточных двигателей существует определенный зазор между магнитами, который зарезервирован для зоны перехода механической коммутации. Несмотря на то, что зазор есть, большинство производителей имеют строгие процедуры установки магнитов, чтобы гарантировать точность установки, чтобы гарантировать точное положение установки магнита двигателя. Если ширина магнита превышает, он не будет установлен; если ширина магнита слишком мала, это приведет к смещению магнита, двигатель будет больше вибрировать, а эффективность снизится.
3.Влияние размера фаски магнитной стали и отсутствия фаски
Если фаска не сделана, скорость изменения магнитного поля на краю магнитного поля двигателя будет большой, что приведет к пульсации двигателя. Чем больше фаска, тем меньше вибрация. Однако фаска обычно вызывает определенную потерю магнитного потока. Для некоторых спецификаций потеря магнитного потока составляет 0,5~1,5%, когда фаска равна 0,8. Для щеточных двигателей с низким остаточным магнетизмом соответствующее уменьшение размера фаски поможет компенсировать остаточный магнетизм, но пульсация двигателя увеличится. Вообще говоря, когда остаточный магнетизм низкий, допуск в направлении длины может быть соответствующим образом увеличен, что может увеличить эффективный магнитный поток в определенной степени и сохранить производительность двигателя в основном неизменной.
3. Заметки о двигателях с постоянными магнитами
1. Расчет конструкции и конструкции магнитной цепи
Для того чтобы в полной мере использовать магнитные свойства различных материалов с постоянными магнитами, особенно превосходные магнитные свойства редкоземельных постоянных магнитов, и производить экономически эффективные двигатели с постоянными магнитами, невозможно просто применить методы расчета структуры и конструкции традиционных двигателей с постоянными магнитами или двигателей с электромагнитным возбуждением. Необходимо разработать новые концепции проектирования для повторного анализа и улучшения структуры магнитной цепи. Благодаря быстрому развитию компьютерных аппаратных и программных технологий, а также постоянному совершенствованию современных методов проектирования, таких как численный расчет электромагнитного поля, оптимизационное проектирование и технология моделирования, и благодаря совместным усилиям академических и инженерных сообществ в области двигателей были достигнуты прорывы в теории проектирования, методах расчета, структурных процессах и технологиях управления двигателями с постоянными магнитами, что сформировало полный набор методов анализа и исследования и программного обеспечения для автоматизированного анализа и проектирования, которое объединяет численный расчет электромагнитного поля и аналитическое решение эквивалентной магнитной цепи и постоянно совершенствуется.
2. Проблема необратимого размагничивания
Если конструкция или использование ненадлежащее, двигатель с постоянными магнитами может производить необратимое размагничивание или размагничивание, когда температура слишком высокая (постоянный магнит NdFeB) или слишком низкая (постоянный магнит феррита), под действием реакции якоря, вызванной ударным током, или под действием сильной механической вибрации, что снизит производительность двигателя и даже сделает его непригодным для использования. Поэтому необходимо изучить и разработать методы и устройства, подходящие для производителей двигателей, чтобы проверить термическую стабильность материалов постоянных магнитов и проанализировать антиразмагничивающие возможности различных структурных форм, чтобы можно было принять соответствующие меры во время проектирования и производства, чтобы гарантировать, что двигатель с постоянными магнитами не потеряет магнетизм.
3.Проблемы стоимости
Поскольку редкоземельные постоянные магниты все еще относительно дороги, стоимость двигателей с редкоземельными постоянными магнитами, как правило, выше, чем у двигателей с электрическим возбуждением, что должно компенсироваться его высокой производительностью и экономией эксплуатационных расходов. В некоторых случаях, например, в двигателях с звуковой катушкой для компьютерных дисководов, использование постоянных магнитов NdFeB повышает производительность, значительно уменьшает объем и массу, а также снижает общие затраты. При проектировании необходимо сравнивать производительность и цену на основе конкретных случаев использования и требований, а также внедрять инновационные структурные процессы и оптимизировать конструкции для снижения затрат.
Аньхой Минтэн, электромеханическое оборудование с постоянными магнитами, ООО (https://www.mingtengmotor.com/). Скорость размагничивания магнитной стали электродвигателя с постоянными магнитами составляет не более одной тысячной в год.
В качестве постоянного магнитного материала ротора двигателя с постоянными магнитами нашей компании используется спеченный NdFeB с высоким магнитным энергетическим продуктом и высокой собственной коэрцитивной силой, а обычные марки — N38SH, N38UH, N40UH, N42UH и т. д. Возьмем в качестве примера марку N38SH, обычно используемую нашей компанией: 38- представляет максимальный магнитный энергетический продукт 38MGOe; SH представляет максимальную термостойкость 150 ℃. UH имеет максимальную термостойкость 180 ℃. Компания разработала профессиональную оснастку и направляющие приспособления для сборки магнитной стали и качественно проанализировала полярность собранной магнитной стали с помощью разумных средств, так что относительное значение магнитного потока каждой пазовой магнитной стали близко, что обеспечивает симметрию магнитной цепи и качество сборки магнитной стали.
Авторские права: Эта статья является перепечаткой публичного номера WeChat «today's motor», оригинальная ссылка https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg
Эта статья не отражает точку зрения нашей компании. Если у вас другие мнения или взгляды, пожалуйста, поправьте нас!
Время публикации: 30-авг-2024