By
Permanente magneetmotoren vertrouwen op permanente magneten om hun magnetisch veld te genereren. Ze hebben geen excitatiespoel of stroom nodig. Deze motoren staan bekend om hun efficiëntie en eenvoudig ontwerp. Ze worden beschouwd als energiebesparende motoren. Permanente magneetmotoren hebben een lang ontwikkelingsproces ondergaan dat grote verbeteringen door de jaren heen weerspiegelt.
Ontwikkelingsproces
De evolutie van de permanente magneetmotor is nauw verbonden met de ontwikkeling van een permanent magneetmateriaal. China was het allereerste land dat de magnetische eigenschappen van dit soort materiaal herkende en praktisch toepaste. Meer dan 2,000 jaar geleden werd het inpassen van eigenschappen in kompastoepassingen, met grote betekenis, waaronder navigatie en militaire strategie, voltooid. Dit wordt beschouwd als een van de vier grote uitvindingen van het oude China.
De eerste elektromotor ter wereld verscheen in de jaren 1820. Deze motor is een permanente magneetmotor. Het magnetische veld van dit type motor wordt gegenereerd door permanente magneten. Deze technologie verdween echter enige tijd en werd pas de laatste jaren uitgebreid ontwikkeld. Omdat het permanente magneetmateriaal dat destijds werd gebruikt natuurlijk magnetiet was, was de magnetische energiedichtheid ervan bijzonder laag. Het gebruik ervan om motoren te maken, maakt de motoren bijzonder groot. Vanwege hun lage bruikbaarheid werden permanente magneetmotoren langzaam vervangen door elektrische excitatiemotoren. De ontwikkeling ervan bleef ook een tijdje stilstaan. Sommige wetenschappers geloven echter dat er nog steeds behoefte is aan het bestuderen van permanente magneetmotoren, dus terwijl anderen van vakgebied veranderen, blijft een klein aantal mensen diep betrokken bij dit vakgebied.
Terwijl alle soorten motoren zich snel ontwikkelden en tegelijkertijd de huidige magnetiseerders werden uitgevonden, bestudeerden onderzoekers uitgebreid het mechanisme, de samenstelling en de productietechnologie van permanente magneetmaterialen. Als resultaat hiervan werd een reeks permanente magnetische materialen ontdekt, zoals koolstofstaal, wolfraamstaal en kobaltstaal. Vooral de magnetische eigenschappen van de AlNiCo permanente magneet die in de jaren 1930 werd uitgevonden en de ferriet permanente magneet die in de jaren 1950 werd uitgevonden, zijn sterk verbeterd, waardoor de permanente magneet excitatiemethode op grote schaal is overgenomen voor verschillende micro- en kleine motoren. Permanente magneetmotoren worden veel gebruikt in de militaire, industriële, agrarische productie en het dagelijks leven, met een vermogen variërend van een paar milliwatt tot tientallen kilowatts. Daarom is de productie van permanente magneetmotoren dramatisch toegenomen. Gedurende deze periode zijn ook de ontwerptheorie, berekeningsmethoden, magnetisatie en productietechnologie van permanente magneetmotoren sterk verbeterd. Gedurende deze periode werd een reeks analytische en onderzoeksmethoden ontwikkeld, waaronder de permanente magneet werkdiagrammethode.
Echter, vanwege de lage coërciviteit van AlNiCo permanente magneten en de lage remanentiedichtheid van ferriet permanente magneten, was hun toepassingsbereik in motoren zeer beperkt. Tot de jaren 1960 en 1980 kwam er een reeks zeldzame aarde permanente magnetische materialen uit, de een na de ander, waaronder zeldzame aarde kobalt permanente magneten en neodymium ijzer boor permanente magneten. Ze hebben een hoge remanentiedichtheid en coërcieve kracht, een hoog magnetisch energieproduct en uitstekende magnetische eigenschappen van lineaire demagnetisatiecurve, vooral geschikt voor de productie van motoren, waardoor permanente magneetmotoren een nieuwe historische periode in gingen.
Kenmerken van permanente magneetmotoren
Vergeleken met de traditionele elektrische excitatiemotoren omvatten de permanente magneetmotoren:
De reikwijdte van de toepassing is zeer uitgebreid. Er kan worden gezegd dat in alle gebieden de lucht- en ruimtevaartafdelingen nationale defensie, industriële en agrarische productie en het leven van de mensen omvatten. Hieronder volgen de belangrijkste kenmerken van verschillende typische permanente magneetmotoren en hun primaire toepassingen.
Vergeleken met conventionele generatoren heeft de zeldzame aarde permanente magneetgenerator geen sleepringen en een borstelinrichting. De structuur van de permanente magneet synchrone generator is eenvoudig en de faalpercentages worden verlaagd. Door gebruik te maken van zeldzame aarde permanente magneten kan de luchtspleet magnetische dichtheid worden verhoogd, evenals de motorsnelheid naar de optimale waarde om de vermogen-massaverhouding te verbeteren. Zeldzame aarde permanente magneetgeneratoren worden gebruikt op bijna alle moderne luchtvaart- en ruimtevaartgeneratoren. Hun typische producten zijn 150 kVA 14-polige 12 tpm ~ 000 tpm en 21 kVA 000 tpm zeldzame aarde kobalt permanente magneet synchrone generatoren geproduceerd door General Electric Company uit de Verenigde Staten.
Permanente magneetgeneratoren worden ook gebruikt als hulpopwekkers voor grote turbinegeneratoren. De grootste capaciteit van 40 kVA tot 160 kVA zeldzame aarde permanente magneet hulpopwekker ter wereld werd in de jaren 200 met succes ontwikkeld voor 600 MW ~ 1980 MW turbinegeneratoren. Sindsdien is de betrouwbaarheid van de werking van elektriciteitscentrales sterk verbeterd. Momenteel worden kleine generatoren die worden aangedreven door verbrandingsmotoren voor onafhankelijke energiebronnen, permanente magneetgeneratoren voor voertuigen en kleine permanente magneetwindturbines die rechtstreeks worden aangedreven door windwielen geleidelijk gepromoot.
Toepassingen op verschillende gebieden
3. Het andere nieuwe gebied is het gebruik van verschillende zeldzame aarde permanente magneet DC micromotoren om nieuwe variabele frequentie snelheidsregelsystemen voor airconditioners en koelkasten te ondersteunen. De zeldzame aarde permanente magneet borstelloze DC motoren zijn instrumenten met verschillende vermogens, en de vraag naar dergelijke motoren is ook groot.
Zeldzame aarde permanente magneetmaterialen hebben grote voordelen in de lucht- en ruimtevaart en zijn van groot belang voor de ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaartindustrie. Zeldzame aarde permanente magneetmotoren zijn gebruikt in sommige gebieden van de lucht- en ruimtevaart, zoals generatorspanningsregeling en kortsluitbeveiliging, maar wetenschappers in de wereld geloven unaniem dat de zeldzame aarde permanente magneetmotor een van de essentiële richtingen is voor de ontwikkeling van de volgende generatie lucht- en ruimtevaartmotoren.
Technische problemen waarmee permanentmagneetmotoren worden geconfronteerd
1. Hoge prijs van permanente magneetmaterialen
De kosten van het permanente magneetmateriaal bedragen vaak meer dan 50% van alle materiaalkosten. Permanent magnetisch materiaal heeft zeldzame aardmetalen nodig. In de meeste landen wordt zeldzame aardmetalen beschouwd als een extreem magere minerale hulpbron met hoge prijzen en lage hoeveelheden. De meeste producten van 's werelds zeldzame aardmetalen worden geëxporteerd uit China.
2. Ontmagnetiseringsfenomeen
Permanente magneetmotoren lopen altijd het risico op onomkeerbare demagnetisatie onder de ongunstige omstandigheden van hoge temperaturen en frequente mechanische trillingen. De bijdragende factoren aan demagnetisatie zijn de hoge bedrijfstemperatuur van de motor, de stijging van de omgevingstemperatuur en de accumulatie van warmte. Zodra dit gebeurt, nemen de prestaties drastisch af en wordt de motor praktisch nutteloos. Om de magnetische degradatie tijdens het werkproces te verminderen, is het zaak om een reeks hoge temperatuurbestendige en hoogmagnetische NdFeB permanente magneetmaterialen te onderzoeken en te ontwikkelen om het probleem bij de wortel op te lossen; de andere is om anti-demagnetisatietechnologie te promoten. Het kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door belastingdetectie, vermindering van de maximale belasting, verbetering van warmteafvoermaatregelen en vermindering van frequente starts.
3. Controletechnologie
Vanwege het fenomeen van de "permanente magneet" in de permanente magneet synchrone motor, is het erg moeilijk om het magnetische veld extern aan te passen. Voor de permanente magneet synchrone motor toepassingen is het idee van de besturing op dit moment niet om magnetische veld besturing uit te voeren, maar alleen anker besturing. De permanente magneet synchrone motor wordt bestuurd door elektronische apparaten in coördinatie met microcomputer besturing. Verfijnd beheer in positie, snelheid en koppel besturing bereiken.
Naast de hierboven besproken problemen doen zich nog een paar kritieke technische problemen voor Synchrone motoren met permanente magneet die verdere aandacht en innovatie nodig hebben. Zulke problemen omvatten gevoeligheid voor stroomuitval, het onvermogen om zeer hoge snelheden te bereiken en problematisch opstarten van motoren. Het aanpakken van zulke problemen is belangrijk om het volledige potentieel van PMSM's te ontsluiten en hun bruikbaarheid in verschillende toepassingen te maximaliseren.
De vatbaarheid voor stroomuitval is een van de grootste technische problemen waarmee PMSM's te maken hebben. Terwijl inductiemotoren gewoonlijk hun werking voortzetten zonder dat er stroom aan wordt geleverd, hebben PMSM's altijd een externe stroombron nodig voor magnetische veldexcitatie. In geval van een stroomuitval kunnen PMSM's gewoon stoppen met werken, waardoor kritieke processen en systemen worden verstoord.
Enkele methoden die kunnen worden gebruikt om de impact van stroomuitval op de werking van PMSM's te verminderen, zijn energieopslagsystemen en back-upvoedingen. Door een batterij of condensator te integreren met het PMSM-systeem, kan het de stroomvoorziening enige tijd in stand houden in geval van een stroomuitval, waardoor de werking wordt gewaarborgd en de stilstandperiode wordt verkort. Bovendien verbetert verharding in vermogenselektronica en regelalgoritmen de robuustheid van PMSM's tegen stroomschommelingen en -onderbrekingen.
Een andere technische uitdaging die geassocieerd wordt met PMSM's is hun inherente beperking bij hoge snelheden. Hoewel PMSM's enkele gunstige eigenschappen hebben, zoals een hoge koppeldichtheid en efficiëntie, zijn ze mogelijk niet in staat om te werken bij ultrahoge snelheden vanwege factoren zoals rotorinertie en centrifugale krachten. Deze beperking legt beperkingen op aan toepassingen die snelle acceleratie en deceleratie of hoge snelheid vereisen.
Om deze uitdaging aan te gaan, worden innovatieve rotorontwerpen, geavanceerde materialen en innovatieve koeltechnieken overwogen om de snelheidsmogelijkheden van PMSM's te verbeteren. Met geoptimaliseerde rotorconstructie stelt een vermindering van de rotatietraagheid ingenieurs in staat om de responsiviteit en prestaties bij hogere snelheden verder te vergroten. Bovendien kan verdere ontwikkeling van magnetische materialen en thermische beheersystemen worden gebruikt om oververhitting en mechanische spanningen bij hoge snelheidswerking te verminderen.
Een andere technische uitdaging in PMSM is gerelateerd aan het opstartproces. Bij het opstarten, voor toepassingen die precisie in controle en synchronisatie vereisen, heeft PMSM een andere technische uitdaging. In tegenstelling tot de inductiemotor, die zichzelf start zodra deze is aangesloten op een stroombron, heeft PMSM enkele externe besturingssignalen van buitenaf nodig om de rotatie te starten. Dit zal de complexiteit van het systeem vergroten, met name tijdens het opstarten van het motorbedieningsproces.
Om deze uitdaging te overwinnen, onderzoeken onderzoekers innovatieve regelstrategieën en sensorloze motoropstarttechnieken voor PMSM's. Door geavanceerde algoritmen en sensortechnologieën te implementeren, kunnen ingenieurs robuuste en betrouwbare opstartprocedures ontwikkelen die de afhankelijkheid van externe besturingssignalen minimaliseren. Bovendien kunnen verbeteringen in het motorontwerp en de constructie de efficiëntie en effectiviteit van de opstartprocedures van de motor verbeteren, waardoor de werking wordt gestroomlijnd en de algehele systeemprestaties worden verbeterd.
Wij zijn er inderdaad van overtuigd dat, ondanks deze technische uitdagingen, de verbetering van de technologie van permanente magneetmotoren zal zegevieren. Gezien het tempo waarin innovatieve ideeën worden voorgesteld en getest door onderzoekers en ingenieurs, kunnen opmerkelijke prestaties worden verwacht bij het overwinnen van bepaalde belangrijke technische uitdagingen en het openen van perspectieven voor nieuwe toepassingen van PMSM's in verschillende industrieën.
Als de problemen van kwetsbaarheid voor stroomuitval, beperkingen bij het bereiken van hoge snelheden en problematisch opstarten van de motor zijn opgelost, zouden PMSM's het menselijk leven en de productie nog comfortabeler en efficiënter maken. We voorspellen gemakkelijk, door deze samenwerkingen en continu onderzoek, dat PMSM-motoren binnenkort een grote rol spelen in de aandrijving van technologie en industrieën.
