Kas sa tõesti mõistad püsimagnetmootorite püsimagnetite konstruktsiooni?

Püsimagnetiga mootorite arendamine on tihedalt seotud püsimagnetmaterjalide arendamisega.
Püsimagnetiga mootorite väljatöötamine on tihedalt seotud püsimagnetmaterjalide arendamisega. Meie riik on esimene riik maailmas, mis avastas püsimagnetmaterjalide magnetilised omadused ja rakendas neid praktikas. Rohkem kui kaks tuhat aastat tagasi kasutas meie riik püsimagnetmaterjalide magnetilisi omadusi kompassi valmistamiseks, millel on olnud tohutu roll navigatsioonis, sõjanduses ja muudes valdkondades. Sellest on saanud üks neljast suurest leiutisest iidses minu riigis.

Maailma esimene mootor, mis ilmus 1820. aastatel, oli püsimagnetiga mootor, mille ergastusmagnetväli tekkis püsimagneti abil. Sel ajal kasutatud püsimagnetimaterjaliks oli aga looduslik magnetiit (Fe3O4), millel on väga madal magnetiline energiatihedus, ja sellest valmistatud mootor oli mahukas ning asendati peagi elektrilise ergastusmootoriga.

Erinevate mootorite kiire arengu ja praeguste magnetisaatorite leiutamisega on inimesed põhjalikult uurinud püsimagnetmaterjalide mehhanismi, koostist ja tootmistehnoloogiat ning avastanud järjestikku süsinikterase ja volframterase (maksimaalne magnetiline energiaprodukt on umbes 2.7 kJ/m3), koobaltterase (maksimaalne magnetiline energiaprodukt on umbes 7.2 kJ/m3) ja muud püsimagnetmaterjalid. Eelkõige on 1930. aastatel ilmunud AlNiCo püsimagnetitel (maksimaalne magnetiline energiaprodukt võib ulatuda 85 kJ/m3-ni) ja 1950. aastatel ilmunud ferriitpüsimagnetitel (maksimaalne magnetiline energiaprodukt võib nüüd ulatuda 40 kJ/m3-ni) mitmesugused magnetilised omadused. Tänu suurele arengule on püsimagneti ergutust kasutanud mitmesugused mikro- ja väikemootorid. Püsimagnetmootorite võimsus on mõnest millivatist kuni kümnete kilovattideni. Neid kasutatakse laialdaselt sõjalises, tööstuslikus ja põllumajanduslikus tootmises ning igapäevaelus ning toodang on järsult suurenenud. Vastavalt sellele on sel perioodil tehtud läbimurdeid püsimagnetmootorite projekteerimisteoorias, arvutusmeetodis, magnetiseerimises ja tootmistehnoloogias ning on välja töötatud püsimagnetite töödiagrammi abil esindatud analüüsi- ja uurimismeetodite kogum. AlNiCo püsimagnetite koertsitiivsus on aga madal (36–160 kA/m) ja ferriidist püsimagnetite jääktihedus ei ole kõrge (0.2–0.44 T), mis piirab nende kasutamist mootorites. Kuni 1960. ja 1980. aastateni ilmusid järjestikku haruldaste muldmetallide koobaltist püsimagnetid ja neodüümist raudboorist püsimagnetid (mõlemat ühiselt nimetatakse haruldaste muldmetallide püsimagnetiteks), millel oli kõrge jääktihedus, kõrge koertsitiivsus, kõrge magnetiline energiaprodukt ja lineaarne demagnetiseerumiskõver. Püsimagnetmootori suurepärased magnetilised omadused sobivad eriti hästi elektrimootorite tootmiseks, mistõttu püsimagnetmootorite arendamine on jõudnud uude ajaloolisse perioodi.

Püsimagneti materjal

Mootorimagnetid: Mootorites tavaliselt kasutatavate püsimagnetmaterjalide hulka kuuluvad paagutatud magnetid ja liimitud magnetid, peamised tüübid on AlNiCo, ferriit, samaariumkoobalt, NdFeB jne.
AlNiCo: AlNiCo püsimagnetmaterjal on vanim laialdaselt kasutatav püsimagnetmaterjal ning selle valmistusprotsess ja tehnoloogia on suhteliselt küpsed. Praegu on tehaseid Jaapanis, Ameerika Ühendriikides, Euroopas, Venemaal ja Hiinas. Suurte tootmisettevõtete seas on Hangzhou püsimagneti toodang praegu Hiina esimene, aastane tootmisvõimsus on 3,000 tonni.

Püsimagnetiga ferriidimaterjal: 1950. aastatel hakkas ferriit õitsema. Eriti 1970. aastatel hakati suurtes kogustes tootma strontsiumferriiti, millel oli parem jõudlus koertsitiivsuse ja magnetilise energia tootmisel, ning püsimagnetiga ferriidi kasutusala laienes kiiresti. Mittemetallilise magnetilise materjalina ei ole ferriidil kerget oksüdeerumist, madalat Curie temperatuuri ja kõrget hinda, mistõttu on see väga populaarne.

Samaariumkoobaltmaterjal: püsimagnetmaterjal, millel on suurepärased magnetilised omadused, mis tekkis 1960. aastate keskel ja mille jõudlus on väga stabiilne. Samaariumkoobalt sobib magnetiliste omaduste poolest eriti hästi mootorite tootmiseks, kuid oma kõrge hinna tõttu kasutatakse seda peamiselt lennunduse, kosmosetööstuse, relvade ja muude sõjaliste mootorite ning kõrgtehnoloogiliste valdkondade suure jõudlusega mootorite uurimis- ja arendustegevuses, kus hind ei ole peamine tegur.

NdFeB materjal: NdFeB magnetmaterjal on neodüümi, raudoksiidi jne sulam, tuntud ka kui magnetiline teras. Sellel on äärmiselt kõrge magnetiline energiaprodukt ja koertsitiivsus ning samal ajal muudavad kõrge energiatiheduse eelised NdFeB püsimagnetmaterjalid laialdaselt kasutatavaks tänapäeva tööstuses ja elektroonikatehnoloogias. Võimalik on vähendada suurust, kaalu ja paksust. Kuna see sisaldab palju neodüümi ja rauda, ​​on see kergesti roostetav. Pinna keemiline passivatsioon on praegu üks parimaid lahendusi.

Magnetilise terase jõudluse ja mootori jõudluse seos

1. Jääkmagnetismi mõju

Alalisvoolumootorite puhul, samade mähiseparameetrite ja katsetingimuste korral, mida suurem on jääkmagnetism, seda madalam on koormuseta kiirus ja koormusvool; mida suurem on maksimaalne pöördemoment, seda suurem on efektiivsus kõrgeimas efektiivsuspunktis. Tegelikus katses kasutatakse magnetilise terase jääkmagnetismi standardi hindamiseks üldiselt koormuseta kiiruse taset ja maksimaalse pöördemomendi suurust.

Samade mähiseparameetrite ja elektriliste parameetrite korral on põhjus, miks suurem on jääkpinge, seda madalam on koormuseta kiirus ja seda madalam on koormuseta vool, kuna töötav mootor tekitab suhteliselt madalal kiirusel piisavalt vastuinduktiivsust. See tekitab pinge, mis põhjustab mähisele rakendatava elektromotoorjõu algebralise summa vähenemise.

2. Sundmõju

Mootori töötamise protsessis on alati temperatuuri ja pöörddemagnetiseerimise mõju. Mootori konstruktsiooni seisukohast on nii, et mida suurem on koertsitiivsus, seda väiksem on magnetilise terase paksuse suund ja mida väiksem on koertsitiivsus, seda suurem on magnetilise terase paksuse suund. Kui magnetiline teras ületab teatud koertsitiivsuse piiri, muutub see kasutuks, kuna mootori teised komponendid ei saa sellel temperatuuril stabiilselt töötada. Koertsitiivsus peab vastama ainult nõuetele ja standard on see, et see vastaks nõuetele soovitatud katsetingimustes, ilma et oleks vaja ressursse raisata.

3. Täisnurksuse mõju

Täisnurksus mõjutab ainult mootori jõudlustesti efektiivsuskõvera sirgust. Kuigi mootori efektiivsuskõvera sirgust ei ole nimetatud oluliseks indeksstandardiks, on see looduslikes teeoludes rattamootori jätkumiskauguse jaoks väga oluline. Erinevate teeolude tõttu ei saa mootor alati töötada maksimaalse efektiivsusega, mis on üks põhjusi, miks mõne mootori maksimaalne efektiivsus pole kõrge ja jätkumiskaugus on pikk. Heal rattamootoril peaks olema mitte ainult kõrge maksimaalne efektiivsus, vaid ka efektiivsuskõver peaks olema võimalikult tasane ning mida väiksem on efektiivsuse vähenemise kalle, seda parem. Sellest saab järk-järgult oluline standard, kui rattamootorite turg, tehnoloogia ja standardid küpsevad.

4. Toimivuse järjepidevuse mõju

Ebajärjekindel jääk: See ei ole hea isegi siis, kui leidub üksikuid eriti suure jõudlusega elemente. Iga ühesuunalise magnetvälja segmendi magnetvoo ebajärjekindluse tõttu on pöördemoment asümmeetriline ja tekib vibratsioon.

Ebajärjekindel koertsitiivsus: Eelkõige on üksikute toodete koertsitiivsus liiga madal, mis soodustab demagnetiseerumise pöördfaasi, mille tulemuseks on iga magnetilise terase ebajärjekindel magnetvoog ja mootori vibratsioon. See efekt on harjadeta mootorite puhul märgatavam.

Magneti kuju ja tolerantsi mõju mootori jõudlusele

1. Magnetilise terase paksuse mõju

Kui sisemine või välimine magnetahel on fikseeritud, siis paksuse suurenedes väheneb õhupilu ja efektiivne magnetvoog suureneb. Ilmselge tulemus on see, et sama jääkmagnetismi korral vähenevad koormuseta kiirus ja koormuseta vool ning mootori maksimaalne efektiivsus väheneb. Siiski on ka negatiivseid aspekte, näiteks mootori suurenenud kommutatsioonivibratsioon ja mootori suhteliselt järsem efektiivsuskõver. Seetõttu peaks mootori magnetite paksus olema võimalikult ühtlane, et vähendada vibratsiooni.

2. Magnetilise terase laiuse mõju

Tihedalt pakitud harjadeta mootorimagnetite puhul ei tohi kumulatiivne vahe ületada 0.5 mm. Kui see on liiga väike, ei saa seda paigaldada. Kui see on liiga suur, põhjustab see mootori vibratsiooni ja efektiivsuse vähenemist. See on tingitud magnetilise elemendi asukohast. Terase tegelik asend ei vasta üksteisele ja tuleb tagada laiuse järjepidevus, vastasel juhul on mootoril madal efektiivsus ja suur vibratsioon.

Harjamootorite puhul on magnetite vahel teatud vahe, mis on reserveeritud mehaanilise kommutatsiooni üleminekutsooni jaoks. Kuigi vahe on olemas, on enamikul tootjatel ranged magnetilise terase paigaldamise protseduurid, et tagada paigaldustäpsus ja mootorimagneti täpne paigaldusasend. Kui magnetilise terase laius on suurem, ei paigaldata seda; kui magnetilise terase laius on liiga väike, on magnetilise terase asend valesti joondatud, mootori vibratsioon suureneb ja efektiivsus väheneb.

3. Magnetilise terase kaldserva suuruse ja mittekalde mõju

Kui nurka ei ole kaldserva lõigatud, on magnetvälja muutumiskiirus mootori magnetvälja servas suur, mis põhjustab mootori impulssvibratsiooni. Mida suurem on kaldserva lõigatud nurk, seda väiksem on vibratsioon. Kaldserva lõikamisel on aga üldiselt teatav magnetvoo kadu. Mõnede spetsifikatsioonide kohaselt on magnetvoo kadu 0.8%, kui kaldserva lõikamine ulatub 0.5–1.5%. Kui harjamootori jääkvärv on madal, on kaldserva suuruse vähendamine kasulik jääkvärvuse kompenseerimiseks, kuid mootori impulssvibratsioon suureneb. Üldiselt saab väikese jääkvärvuse korral pikkussuunas tolerantsi vastavalt suurendada, mis võib teatud määral parandada efektiivset magnetvoogu ja jätta mootori jõudluse praktiliselt samaks.

Püsimagnetiga mootorite ettevaatusabinõud

1. Magnetilise vooluahela struktuur ja konstruktsiooniarvutus

Erinevate püsimagnetmaterjalide magnetiliste omaduste, eriti haruldaste muldmetallide püsimagnetite suurepäraste magnetiliste omaduste täielikuks ärakasutamiseks ja kulutõhusate püsimagnetmootorite tootmiseks ei saa traditsiooniliste püsimagnetmootorite või elektriliste ergutusmootorite struktuuri ja konstruktsiooni arvutusmeetodeid lihtsalt rakendada. Tuleb luua uus konstruktsioonikontseptsioon ning magnetvooluahela struktuuri uuesti analüüsida ja täiustada. Arvuti riist- ja tarkvaratehnoloogia kiire arenguga ning kaasaegsete projekteerimismeetodite, näiteks elektromagnetvälja numbrilise arvutamise, optimeeriva projekteerimise ja simulatsioonitehnoloogia pideva täiustamisega on elektrimootorite akadeemiliste ringkondade ja inseneriringkondade ühiste jõupingutuste kaudu seda laialdaselt kasutatud projekteerimisteoorias. Läbimurdelist edu on tehtud arvutusmeetodite, konstruktsioonitehnoloogia ja juhtimistehnoloogia valdkonnas jne. ning on loodud ja pidevalt täiustatud analüüsi- ja uurimismeetodite ning arvutipõhise analüüsi- ja projekteerimistarkvara komplekt, mis ühendab elektromagnetvälja numbrilise arvutamise ja samaväärse magnetvooluahela analüütilise lahenduse.

2. Kontrolliküsimused

Püsimagnetiga mootor suudab säilitada oma magnetvälja ilma välise energiata, kuid see muudab ka äärmiselt keeruliseks oma magnetvälja reguleerimise ja juhtimise väljastpoolt. Püsimagnetigeneraatoril on keeruline oma väljundpinget ja võimsustegurit väljastpoolt reguleerida ning püsimagnetiga alalisvoolumootor ei saa enam oma kiirust ergastusmeetodi muutmise abil reguleerida. Need piiravad püsimagnetiga mootorite rakendusala. Kuid tänu jõuelektroonikaseadmete ja juhtimistehnoloogiate, näiteks MOSFETide ja IGBT-de kiirele arengule saab enamikku püsimagnetiga mootoreid kasutada ilma välja juhtimiseta ja ainult armatuuri juhtimisega. Projekteerimisel on vaja ühendada kolm uut tehnoloogiat: haruldaste muldmetallide püsimagnetmaterjalid, jõuelektroonikaseadmed ja mikroarvuti juhtimine, et püsimagnetiga mootor saaks töötada uutes töötingimustes.

3. Pöördumatu demagnetiseerumise probleem

Kui konstruktsioon või kasutus on vale, siis liiga kõrge temperatuuri (NdFeB püsimagnet) või liiga madala temperatuuri (ferriitpüsimagnet) või tugeva mehaanilise vibratsiooni korral on püsimagnetmootor sisselülitusvoolu põhjustatud armatuurireaktsiooni mõju all. See võib põhjustada pöördumatut demagnetiseerumist või magnetiseerumise kadu, mis vähendab mootori jõudlust ja muudab selle isegi kasutuskõlbmatuks. Seetõttu on vaja uurida ja arendada meetodeid ja seadmeid mootoritootjatele sobivate püsimagnetmaterjalide termilise stabiilsuse kontrollimiseks ning analüüsida erinevate konstruktsioonivormide demagnetiseerumisvastast võimekust, et võtta vastavad meetmed tagamaks, et projekteerimise ja tootmise ajal püsimagnetmootorid ei kaota oma magnetismi.

4. Kuluküsimused

Ferriitpüsimagnetiga mootoreid, eriti miniatuurseid püsimagnetiga alalisvoolumootoreid, on laialdaselt kasutatud tänu oma lihtsale konstruktsioonile ja protsessile, vähendatud kaalule ja üldiselt madalamale kogukulule kui elektrilistel ergutusmootoritel. Kuna haruldaste muldmetallide püsimagnetid on praegu veel suhteliselt kallid, on haruldaste muldmetallide püsimagnetiga mootorite hind üldiselt kõrgem kui elektrilistel ergutusmootoritel, mida tuleb kompenseerida nende suure jõudluse ja tegevuskulude kokkuhoiuga. Mõnel juhul, näiteks arvuti kõvakettaseadmete mähismootorite puhul, paraneb NdFeB püsimagnetite jõudlus, vähenevad oluliselt maht ja mass ning vähenevad kogukulud. Projekteerimisel on vaja võrrelda jõudlust ja hinda vastavalt konkreetsetele kasutusjuhtudele ja nõuetele, et teha valik, aga ka uuendada konstruktsiooniprotsessi ja optimeerida disaini, et kulusid vähendada.