Λόγω της συμπαγούς τους και της υψηλής πυκνότητας ροπής τους, οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, ειδικά για συστήματα μετάδοσης κίνησης υψηλής απόδοσης, όπως συστήματα υποβρύχιας πρόωσης.Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη δεν απαιτούν τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης για διέγερση, μειώνοντας τη συντήρηση και τις απώλειες του ρότορα.Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη είναι εξαιρετικά αποδοτικοί και κατάλληλοι για συστήματα μετάδοσης κίνησης υψηλής απόδοσης, όπως εργαλειομηχανές CNC, ρομποτική και αυτοματοποιημένα συστήματα παραγωγής στη βιομηχανία.
Γενικά, ο σχεδιασμός και η κατασκευή σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τη δομή του στάτορα όσο και του ρότορα προκειμένου να ληφθεί ένας κινητήρας υψηλής απόδοσης.
Η δομή του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη
Πυκνότητα μαγνητικής ροής διάκενου αέρα:Καθορίζεται σύμφωνα με το σχεδιασμό ασύγχρονων κινητήρων κ.λπ., τον σχεδιασμό ρότορων μόνιμου μαγνήτη και τη χρήση ειδικών απαιτήσεων για την εναλλαγή περιελίξεων στάτορα.Επιπλέον, θεωρείται ότι ο στάτορας είναι ένας στάτορας με σχισμή.Η πυκνότητα ροής του διακένου αέρα περιορίζεται από τον κορεσμό του πυρήνα του στάτη.Συγκεκριμένα, η μέγιστη πυκνότητα ροής περιορίζεται από το πλάτος των δοντιών του γραναζιού, ενώ το πίσω μέρος του στάτορα καθορίζει τη μέγιστη συνολική ροή.
Επιπλέον, το επιτρεπόμενο επίπεδο κορεσμού εξαρτάται από την εφαρμογή.Συνήθως, οι κινητήρες υψηλής απόδοσης έχουν χαμηλότερη πυκνότητα ροής, ενώ οι κινητήρες που έχουν σχεδιαστεί για μέγιστη πυκνότητα ροπής έχουν υψηλότερη πυκνότητα ροής.Η μέγιστη πυκνότητα ροής του διακένου αέρα είναι συνήθως στην περιοχή 0,7–1,1 Tesla.Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή είναι η συνολική πυκνότητα ροής, δηλαδή το άθροισμα των ροών του ρότορα και του στάτη.Αυτό σημαίνει ότι εάν η δύναμη αντίδρασης του οπλισμού είναι χαμηλή, σημαίνει ότι η ροπή ευθυγράμμισης είναι υψηλή.
Ωστόσο, για να επιτευχθεί μεγάλη συνεισφορά ροπής απροθυμίας, η δύναμη αντίδρασης του στάτη πρέπει να είναι μεγάλη.Οι παράμετροι της μηχανής δείχνουν ότι η μεγάλη m και η μικρή αυτεπαγωγή L απαιτούνται κυρίως για την επίτευξη ροπής ευθυγράμμισης.Αυτό είναι συνήθως κατάλληλο για λειτουργία κάτω από την ταχύτητα βάσης καθώς η υψηλή αυτεπαγωγή μειώνει τον συντελεστή ισχύος.
Υλικό μόνιμου μαγνήτη:
Οι μαγνήτες παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλές συσκευές, επομένως, η βελτίωση της απόδοσης αυτών των υλικών είναι πολύ σημαντική και η προσοχή εστιάζεται επί του παρόντος σε υλικά με βάση τις σπάνιες γαίες και τα μέταλλα μετάπτωσης που μπορούν να αποκτήσουν μόνιμους μαγνήτες με υψηλές μαγνητικές ιδιότητες.Ανάλογα με την τεχνολογία, οι μαγνήτες έχουν διαφορετικές μαγνητικές και μηχανικές ιδιότητες και παρουσιάζουν διαφορετική αντοχή στη διάβρωση.
Οι μαγνήτες NdFeB (Nd2Fe14B) και Samarium Cobalt (Sm1Co5 και Sm2Co17) είναι τα πιο προηγμένα εμπορικά υλικά μόνιμου μαγνήτη που διατίθενται σήμερα.Σε κάθε κατηγορία μαγνητών σπάνιων γαιών υπάρχει μεγάλη ποικιλία ποιοτήτων.Οι μαγνήτες NdFeB κυκλοφόρησαν στο εμπόριο στις αρχές της δεκαετίας του 1980.Χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα σε πολλές διαφορετικές εφαρμογές.Το κόστος αυτού του υλικού μαγνήτη (ανά ενεργειακό προϊόν) είναι συγκρίσιμο με αυτό των μαγνητών φερρίτη και σε βάση ανά κιλό, οι μαγνήτες NdFeB κοστίζουν περίπου 10 έως 20 φορές περισσότερο από τους μαγνήτες φερρίτη.
Μερικές σημαντικές ιδιότητες που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση των μόνιμων μαγνητών είναι: η παραμονή (Mr), η οποία μετρά την ισχύ του μόνιμου μαγνητικού πεδίου, την καταναγκαστική δύναμη (Hcj), την ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται στον απομαγνητισμό, το ενεργειακό προϊόν (BHmax), την πυκνότητα της μαγνητικής ενέργειας ;Θερμοκρασία Κιουρί (TC), η θερμοκρασία στην οποία το υλικό χάνει τον μαγνητισμό του.Οι μαγνήτες νεοδυμίου έχουν υψηλότερη παραμονή, υψηλότερη καταναγκασμό και ενεργειακό προϊόν, αλλά είναι γενικά του τύπου χαμηλότερης θερμοκρασίας Curie, το νεοδύμιο συνεργάζεται με Terbium και Dysprosium για να διατηρεί τις μαγνητικές του ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες.
Σχεδιασμός Σύγχρονου Κινητήρα Μόνιμου Μαγνήτη
Στο σχεδιασμό ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (PMSM), η κατασκευή του ρότορα μόνιμου μαγνήτη βασίζεται στο πλαίσιο στάτη ενός τριφασικού επαγωγικού κινητήρα χωρίς να αλλάζει η γεωμετρία του στάτορα και των περιελίξεων.Οι προδιαγραφές και η γεωμετρία περιλαμβάνουν: ταχύτητα κινητήρα, συχνότητα, αριθμό πόλων, μήκος στάτορα, εσωτερική και εξωτερική διάμετρο, αριθμό σχισμών ρότορα.Ο σχεδιασμός του PMSM περιλαμβάνει απώλεια χαλκού, οπίσθιο EMF, απώλεια σιδήρου και αυτεπαγωγή και αμοιβαία επαγωγή, μαγνητική ροή, αντίσταση στάτη κ.λπ.
Υπολογισμός αυτοεπαγωγής και αμοιβαίας επαγωγής:
Η επαγωγή L μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της σύνδεσης ροής προς το ρεύμα παραγωγής ροής I, σε Henrys (H), ίση με Weber ανά αμπέρ.Ένας επαγωγέας είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας σε ένα μαγνητικό πεδίο, παρόμοια με το πώς ένας πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο.Οι επαγωγείς αποτελούνται συνήθως από πηνία, συνήθως τυλιγμένα γύρω από έναν φερρίτη ή σιδηρομαγνητικό πυρήνα, και η τιμή επαγωγής τους σχετίζεται μόνο με τη φυσική δομή του αγωγού και τη διαπερατότητα του υλικού μέσω του οποίου διέρχεται η μαγνητική ροή.
Τα βήματα για την εύρεση της επαγωγής είναι τα εξής:1. Έστω ότι υπάρχει ρεύμα I στον αγωγό.2. Χρησιμοποιήστε το νόμο του Biot-Savart ή το νόμο του βρόχου του Ampere (εάν υπάρχει) για να προσδιορίσετε ότι το B είναι επαρκώς συμμετρικό.3. Υπολογίστε τη συνολική ροή που συνδέει όλα τα κυκλώματα.4. Πολλαπλασιάστε τη συνολική μαγνητική ροή με τον αριθμό των βρόχων για να λάβετε τη σύνδεση ροής και εκτελέστε το σχεδιασμό του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη αξιολογώντας τις απαιτούμενες παραμέτρους.
Η μελέτη διαπίστωσε ότι ο σχεδιασμός της χρήσης NdFeB ως υλικού ρότορα μόνιμου μαγνήτη εναλλασσόμενου ρεύματος αύξησε τη μαγνητική ροή που παράγεται στο διάκενο αέρα, με αποτέλεσμα τη μείωση της εσωτερικής ακτίνας του στάτορα, ενώ η εσωτερική ακτίνα του στάτορα χρησιμοποιώντας το μόνιμο κοβάλτιο σαμάριου Το υλικό του μαγνητικού ρότορα ήταν μεγαλύτερο.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αποτελεσματική απώλεια χαλκού σε NdFeB μειώνεται κατά 8,124%.Για το κοβάλτιο σαμάριο ως υλικό μόνιμου μαγνήτη, η μαγνητική ροή θα είναι μια ημιτονοειδής παραλλαγή.Γενικά, ο σχεδιασμός και η κατασκευή σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τη δομή του στάτορα όσο και του ρότορα προκειμένου να ληφθεί ένας κινητήρας υψηλής απόδοσης.
Συμπερασματικά
Ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (PMSM) είναι ένας σύγχρονος κινητήρας που χρησιμοποιεί υψηλά μαγνητικά υλικά για μαγνήτιση και έχει τα χαρακτηριστικά της υψηλής απόδοσης, της απλής δομής και του εύκολου ελέγχου.Αυτός ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη έχει εφαρμογές στην τεχνολογία έλξης, αυτοκινήτου, ρομποτικής και αεροδιαστημικής.Η πυκνότητα ισχύος των σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη είναι υψηλότερη από αυτή των επαγωγικών κινητήρων της ίδιας ονομασίας, επειδή δεν υπάρχει ισχύς στάτη που να προορίζεται για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου..
Προς το παρόν, ο σχεδιασμός του PMSM απαιτεί όχι μόνο μεγαλύτερη ισχύ, αλλά και μικρότερη μάζα και μικρότερη ροπή αδράνειας.
Ώρα δημοσίευσης: Ιούλιος-01-2022