Z razvojem materialov iz redkih zemeljskih trajnih magnetov v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so se pojavili motorji s trajnimi magneti iz redkih zemeljskih kovin. Motorji s trajnimi magneti uporabljajo za vzbujanje trajne magnete iz redkih zemeljskih kovin, trajni magneti pa lahko po magnetizaciji ustvarijo trajna magnetna polja. Njihova vzbujevalna zmogljivost je odlična in je boljša od električnih vzbujevalnih motorjev glede stabilnosti, kakovosti in zmanjšanja izgub, kar je pretreslo tradicionalni trg motorjev.

V zadnjih letih se je s hitrim razvojem sodobne znanosti in tehnologije postopoma izboljšala učinkovitost in tehnologija elektromagnetnih materialov, zlasti elektromagnetnih materialov redkih zemelj. Skupaj s hitrim razvojem močnostne elektronike, tehnologije prenosa moči in tehnologije avtomatskega krmiljenja se učinkovitost sinhronskih motorjev s trajnimi magneti izboljšuje.

Poleg tega imajo sinhroni motorji s trajnimi magneti prednosti majhne teže, preproste strukture, majhne velikosti, dobrih lastnosti in visoke gostote moči. Številne znanstvenoraziskovalne ustanove in podjetja aktivno izvajajo raziskave in razvoj sinhronih motorjev s trajnimi magneti, njihova področja uporabe pa se bodo še razširila.

1. Razvojna osnova sinhronskega motorja s trajnim magnetom

a.Uporaba visokozmogljivih materialov s trajnimi magneti iz redkih zemelj

Redkozemeljski trajni magnetni materiali so šli skozi tri faze: SmCo5, Sm2Co17 in Nd2Fe14B. Trenutno so trajni magnetni materiali, ki jih predstavlja NdFeB, postali najbolj razširjena vrsta redkozemeljskih trajnih magnetnih materialov zaradi svojih odličnih magnetnih lastnosti. Razvoj trajnih magnetnih materialov je spodbudil razvoj motorjev s trajnimi magneti.

V primerjavi s tradicionalnim trifaznim indukcijskim motorjem z električnim vzbujanjem trajni magnet nadomešča električni vzbujevalni pol, poenostavlja strukturo, odpravlja drsni obroč in krtačo rotorja, uresničuje brezkrtačno strukturo in zmanjšuje velikost rotorja. To izboljša gostoto moči, gostoto navora in delovno učinkovitost motorja ter naredi motor manjši in lažji, kar še dodatno širi njegovo področje uporabe in spodbuja razvoj elektromotorjev v smeri večjih moči.

b.Uporaba nove teorije krmiljenja

V zadnjih letih so se algoritmi krmiljenja hitro razvili. Med njimi so algoritmi vektorskega krmiljenja načeloma rešili problem strategije vožnje AC motorjev, zaradi česar imajo AC motorji dobro krmilno zmogljivost. Pojav neposrednega krmiljenja navora poenostavlja krmilno strukturo in ima značilnosti močnega delovanja vezja pri spremembah parametrov in hitrega dinamičnega odziva navora. Tehnologija posrednega krmiljenja navora rešuje problem velikega pulziranja navora neposrednega navora pri nizki hitrosti ter izboljšuje hitrost in natančnost krmiljenja motorja.

c.Uporaba visokozmogljivih močnostnih elektronskih naprav in procesorjev

Sodobna tehnologija močnostne elektronike je pomemben vmesnik med informacijsko industrijo in tradicionalnimi industrijami ter most med šibkim in nadzorovanim močnim tokom. Razvoj tehnologije močnostne elektronike omogoča uresničitev strategij krmiljenja pogonov.

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja se je pojavila vrsta splošnih razsmernikov, ki so lahko pretvorili industrijsko frekvenco v spremenljivo frekvenco z neprekinjeno nastavljivo frekvenco, s čimer so ustvarili pogoje za regulacijo hitrosti izmeničnega toka s spremenljivo frekvenco. Ti razsmerniki imajo možnost mehkega zagona po nastavitvi frekvence, pri čemer se frekvenca lahko z določeno hitrostjo dvigne od nič do nastavljene frekvence, hitrost naraščanja pa je mogoče neprekinjeno prilagajati v širokem območju, kar rešuje problem zagona sinhronskih motorjev.

2. Razvojno stanje sinhronih motorjev s trajnimi magneti doma in v tujini

Prvi motor v zgodovini je bil motor s trajnim magnetom. Takrat je bila zmogljivost materialov s trajnimi magneti relativno slaba, koercitivna sila in remanenca trajnih magnetov pa prenizka, zato so jih kmalu nadomestili motorji z električnim vzbujanjem.

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so redki zemeljski trajni magnetni materiali, kot je NdFeB, imeli veliko koercitivno silo, remanenco, močno sposobnost razmagnetenja in velik magnetni energijski produkt, zaradi česar so se v zgodovino vključili visokozmogljivi sinhroni motorji s trajnimi magneti. Zdaj raziskave sinhronskih motorjev s trajnimi magneti postajajo vse bolj zrele in se razvijajo v smeri visoke hitrosti, visokega navora, visoke moči in visoke učinkovitosti.

V zadnjih letih so se sinhroni motorji s trajnimi magneti, zahvaljujoč močnim naložbam domačih znanstvenikov in vlade, hitro razvili. Z razvojem mikroračunalniške tehnologije in tehnologije avtomatskega krmiljenja so se sinhroni motorji s trajnimi magneti pogosto uporabljali na različnih področjih. Zaradi napredka družbe so se zahteve ljudi po sinhronskih motorjih s trajnimi magneti zaostrile, kar je spodbudilo razvoj motorjev s trajnimi magneti k večjemu območju regulacije hitrosti in natančnejšemu krmiljenju. Zaradi izboljšanja trenutnih proizvodnih procesov so bili razviti visokozmogljivi materiali s trajnimi magneti. To močno zniža njihove stroške in jih postopoma uporablja na različnih področjih življenja.

3. Trenutna tehnologija

a. Tehnologija načrtovanja sinhronskega motorja s trajnimi magneti

V primerjavi z običajnimi električnimi vzbujevalnimi motorji sinhroni motorji s trajnimi magneti nimajo električnih vzbujevalnih navitij, kolektorskih obročev in vzbujevalnih omar, kar močno izboljša ne le stabilnost in zanesljivost, temveč tudi učinkovitost.

Med njimi imajo vgrajeni motorji s trajnimi magneti prednosti visoke učinkovitosti, visokega faktorja moči, visoke gostote moči enote, močne šibko-magnetne zmogljivosti razširitve hitrosti in hitre dinamične odzivne hitrosti, zaradi česar so idealna izbira za pogon motorjev.

Permanentni magneti zagotavljajo celotno vzbujevalno magnetno polje motorjev s permanentnimi magneti, navor zobatosti pa bo med delovanjem povečal vibracije in hrup motorja. Prekomerni navor zobatosti bo vplival na delovanje sistema za regulacijo hitrosti motorja pri nizki hitrosti in na visoko natančno pozicioniranje sistema za regulacijo položaja. Zato je treba pri načrtovanju motorja čim bolj zmanjšati navor zobatosti z optimizacijo motorja.

Glede na raziskave so splošne metode za zmanjšanje navora zobatosti med drugim spreminjanje koeficienta polnega loka, zmanjšanje širine reže statorja, usklajevanje poševne reže in reže pola, spreminjanje položaja, velikosti in oblike magnetnega pola itd. Vendar je treba upoštevati, da lahko zmanjšanje navora zobatosti vpliva na druge zmogljivosti motorja, na primer na ustrezno zmanjšanje elektromagnetnega navora. Zato je treba pri načrtovanju čim bolj uravnotežiti različne dejavnike, da se doseže najboljša zmogljivost motorja.

b.Tehnologija simulacije sinhronskega motorja s permanentnim magnetom

Prisotnost trajnih magnetov v motorjih s trajnimi magneti otežuje oblikovalcem izračun parametrov, kot sta koeficient pretoka uhajanja v prostem teku in koeficient polnega loka pri načrtovanju. Na splošno se za izračun in optimizacijo parametrov motorjev s trajnimi magneti uporablja programska oprema za analizo končnih elementov. Programska oprema za analizo končnih elementov lahko zelo natančno izračuna parametre motorja in je zelo zanesljiva za analizo vpliva parametrov motorja na delovanje.

Metoda izračuna končnih elementov nam omogoča lažji, hitrejši in natančnejši izračun in analizo elektromagnetnega polja motorjev. To je numerična metoda, razvita na podlagi metode diferenčnih vrednosti, ki se pogosto uporablja v znanosti in inženirstvu. Z matematičnimi metodami diskretiziramo nekatere domene zveznih rešitev v skupine enot in nato interpoliramo v vsaki enoti. Na ta način se oblikuje linearna interpolacijska funkcija, torej se s pomočjo končnih elementov simulira in analizira približna funkcija, kar nam omogoča intuitivno opazovanje smeri silnic magnetnega polja in porazdelitve gostote magnetnega pretoka znotraj motorja.

c.Tehnologija krmiljenja sinhronskega motorja s permanentnim magnetom

Izboljšanje delovanja sistemov motornih pogonov je prav tako zelo pomembno za razvoj področja industrijskega krmiljenja. Omogoča pogon sistema z najboljšo zmogljivostjo. Njegove osnovne značilnosti se odražajo v nizki hitrosti, zlasti pri hitrem zagonu, statičnem pospeševanju itd., saj lahko proizvede velik navor; pri vožnji z visoko hitrostjo pa lahko doseže konstantno moč in hitrost v širokem območju. Tabela 1 primerja delovanje več večjih motorjev.

Kot je razvidno iz tabele 1, imajo motorji s trajnimi magneti dobro zanesljivost, širok razpon hitrosti in visok izkoristek. V kombinaciji z ustrezno metodo krmiljenja lahko celoten motorni sistem doseže najboljšo zmogljivost. Zato je treba izbrati primeren algoritem krmiljenja za doseganje učinkovite regulacije hitrosti, tako da lahko pogonski sistem motorja deluje v relativno širokem območju regulacije hitrosti in s konstantno močjo.

Metoda vektorskega krmiljenja se pogosto uporablja v algoritmu za regulacijo hitrosti motorjev s permanentnimi magneti. Ima prednosti širokega območja regulacije hitrosti, visoke učinkovitosti, visoke zanesljivosti, dobre stabilnosti in dobrih ekonomskih koristi. Široko se uporablja v motornih pogonih, železniškem prometu in servopogonih obdelovalnih strojev. Zaradi različnih uporab se razlikuje tudi trenutno uporabljena strategija vektorskega krmiljenja.

4. Značilnosti sinhronskega motorja s trajnim magnetom

Sinhronski motor s trajnimi magneti ima preprosto strukturo, nizke izgube in visok faktor moči. V primerjavi z električnim vzbujevalnim motorjem ni potreben reaktivni vzbujevalni tok, ker nima krtačk, komutatorjev in drugih naprav, zato sta statorski tok in izguba upora manjša, učinkovitost je višja, vzbujevalni navor je večji in krmilna zmogljivost je boljša. Vendar pa obstajajo slabosti, kot so visoki stroški in težave pri zagonu. Zaradi uporabe krmilne tehnologije v motorjih, zlasti uporabe vektorskih krmilnih sistemov, lahko sinhroni motorji s trajnimi magneti dosežejo široko območje regulacije hitrosti, hiter dinamični odziv in visoko natančno krmiljenje pozicioniranja, zato bodo sinhroni motorji s trajnimi magneti pritegnili več ljudi k obsežnim raziskavam.

5. Tehnične značilnosti sinhronskega motorja s trajnim magnetom Anhui Mingteng

a. Motor ima visok faktor moči in visok faktor kakovosti električnega omrežja. Kompenzator faktorja moči ni potreben in zmogljivost opreme podpostaje je mogoče v celoti izkoristiti;

b. Motor s trajnim magnetom vzbujajo trajni magneti in deluje sinhrono. Ni pulziranja hitrosti in upor cevovoda se ne poveča pri pogonu ventilatorjev in črpalk;

c. Motor s trajnim magnetom je lahko zasnovan z visokim zagonskim navorom (več kot 3-kratnik) in visoko preobremenitveno zmogljivostjo po potrebi, s čimer se reši pojav "velikega konja, ki vleče majhen voziček";

d. Jalni tok običajnega asinhronega motorja je običajno približno 0,5-0,7-kratnik nazivnega toka. Sinhronski motor s trajnim magnetom Mingteng ne potrebuje vzbujevalnega toka. Jalni tok motorja s trajnim magnetom in asinhronega motorja se razlikuje za približno 50 %, dejanski obratovalni tok pa je približno 15 % nižji od asinhronega motorja;

e. Motor je lahko zasnovan za neposreden zagon, zunanje vgradne dimenzije pa so enake kot pri trenutno široko uporabljenih asinhronih motorjih, ki lahko v celoti nadomestijo asinhrone motorje;

f. Z dodajanjem gonilnika lahko dosežete mehak zagon, mehko zaustavitev in brezstopenjsko regulacijo hitrosti, z dobrim dinamičnim odzivom in dodatno izboljšanim učinkom varčevanja z energijo;

g. Motor ima veliko topoloških struktur, ki neposredno izpolnjujejo temeljne zahteve mehanske opreme v širokem razponu in v ekstremnih pogojih;

h. Za izboljšanje učinkovitosti sistema, skrajšanje prenosne verige in zmanjšanje stroškov vzdrževanja je mogoče zasnovati in izdelati visokohitrostne in nizkohitrostne sinhrone motorje s trajnimi magneti z neposrednim pogonom, ki ustrezajo višjim zahtevam uporabnikov.

Anhui Mingteng Permanent-Magnetic Machinery&Electrical Equipment Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) je bilo ustanovljeno leta 2007. Je visokotehnološko podjetje, specializirano za raziskave in razvoj, proizvodnjo in prodajo ultra visoko učinkovitih sinhronskih motorjev s trajnimi magneti. Podjetje uporablja sodobno teorijo načrtovanja motorjev, profesionalno programsko opremo za načrtovanje in lastno razvit program za načrtovanje motorjev s trajnimi magneti za simulacijo elektromagnetnega polja, fluidnega polja, temperaturnega polja, napetostnega polja itd. motorja s trajnimi magneti, optimizacijo strukture magnetnega vezja, izboljšanje energetske učinkovitosti motorja in bistveno zagotavljanje zanesljive uporabe motorja s trajnimi magneti.

Avtorske pravice: Ta članek je ponatis javne številke WeChat »Motor Alliance«, izvirna povezavahttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

Ta članek ne predstavlja stališč našega podjetja. Če imate drugačna mnenja ali poglede, nas prosim popravite!