La historia del desarrollo del motor de imán permanente.
El desarrollo de motores de imanes permanentes está estrechamente relacionado con el desarrollo de materiales de imanes permanentes. China es el primer país del mundo en descubrir la especialidad magnética de los materiales de imanes permanentes y aplicarla en la práctica. Hace más de 2,000 años, China utilizó la especialidad magnética de materiales de imanes permanentes para fabricar una brújula. El papel se ha convertido en uno de los cuatro principales inventos de la antigua China.
El primer motor del mundo en la década de 1920 fue un motor de imán permanente para generar un campo magnético mediante un imán permanente. Sin embargo, el material magnético permanente utilizado en aquella época era mineral magnético natural (Fe3O4). La densidad de energía magnética era muy baja. El motor fabricado con él era grande y pronto fue reemplazado por el motor de excitación.
Con las necesidades del rápido desarrollo de varios motores y la invención de los cargadores magnéticos actuales, la gente ha realizado investigaciones en profundidad sobre el mecanismo, la composición y la tecnología de fabricación de materiales magnéticos permanentes, y se han descubierto acero al carbono y acero de tungsteno (máximo energía magnética acumulada alrededor de 2.7 kj/m3) Varios materiales magnéticos permanentes como el acero de cobalto (energía magnética máxima acumulada alrededor de 7.2 kj/m3). Especialmente en la década de 1930, los imanes permanentes de aluminio-níquel cobalto (acumulación máxima de energía magnética de 85 kJ/m3) y el imán permanente del imán permanente de ferrita (la acumulación máxima de energía magnética puede alcanzar 40 kJ/m3) en la década de 1950, y el imán permanente El rendimiento ha mejorado mucho y varios micromotores y pequeños motores utilizan imanes permanentes. La potencia del motor de imán permanente es tan pequeña como unas decenas de vatios. Se ha utilizado ampliamente en la producción industrial y agrícola y en la vida diaria, y la producción ha aumentado considerablemente. En consecuencia, este período también ha logrado grandes avances en la teoría del diseño, los métodos de cálculo, la carga de capacidad y la tecnología de fabricación del motor de imán permanente, y forma un conjunto de métodos de análisis e investigación representados por el método de interpretación del mapa magnético permanente. Sin embargo, debido a la fuerza tenaz del imán permanente de aluminio, níquel y cobalto (36 ~ 160 ka/m), la densidad magnética restante del imán permanente del hierro y oxígeno no es alta (0.2 ~ 0.44 t), lo que limita su rango de aplicación en el motor. . Hasta las décadas de 1960 y 1980, el imán permanente de cobalto de tierras raras y el imán permanente de hierro y boro (ambos denominados colectivamente imanes permanentes de tierras raras) aparecieron uno tras otro. Las excelentes propiedades magnéticas son particularmente adecuadas para la fabricación de motores, por lo que el desarrollo de motores de imanes permanentes ha entrado en un nuevo período histórico.
Las características y aplicación del motor de imán permanente.
En comparación con el motor magnético eléctrico tradicional, el motor de imán permanente, especialmente el motor de imán permanente de tierras raras, tiene una estructura simple, operación confiable, pequeño volumen, calidad de luz, pequeña pérdida, alta eficiencia, la forma y el tamaño del motor pueden ser flexibles y diverso. Por lo tanto, el ámbito de aplicación es extremadamente amplio y se extiende a casi todos los campos de la producción industrial y agrícola y de la vida cotidiana. A continuación se detallan las características principales de varios motores de imanes permanentes típicos y sus principales ocasiones de aplicación.
1. El generador síncrono de imanes permanentes de tierras raras no requiere un anillo colector ni un dispositivo de cepillo en comparación con el generador tradicional. La estructura es simple y reduce la tasa de fallas. Mediante un imán permanente de tierras raras, también puede aumentar la estanqueidad magnética del entrehierro, aumentar la velocidad al valor óptimo y aumentar la relación de calidad de la energía. Casi todos los generadores aeroespaciales y de aviación contemporáneos utilizan generadores de imanes permanentes de tierras raras. El generador de imanes permanentes también se utilizó como máquina de incentivo asociada para grandes generadores de ruedas de vapor. En la actualidad, se están promoviendo gradualmente el motor de combustión interna que acciona el generador pequeño, el generador de imán permanente y el generador de aire de imán permanente pequeño de vanguardia de accionamiento directo para suministro de energía independiente.
2. En comparación con el motor inductivo, para un motor síncrono de imán permanente eficiente, no es necesario tener corriente de incentivo de potencia, lo que puede mejorar significativamente el factor de potencia (puede alcanzar 1, incluso capacidad), reducir la pérdida de corriente del estator y del estator. resistencia, y no hay consumo de cobre del rotor durante el funcionamiento estable, y puede reducir el ventilador (un motor de pequeña capacidad puede incluso quitar el ventilador) y la correspondiente pérdida de viento. La eficiencia puede aumentar entre 2 y 8 puntos porcentuales que el sensor de la misma especificación. Además, el motor síncrono de imán permanente puede mantener una mayor eficiencia y factor de potencia dentro del rango del 25 % al 120 % de la carga nominal, lo que hace que el efecto energético diario sea más significativo durante el tiempo de funcionamiento de la carga ligera. Este tipo de motor generalmente establece un devanado de arranque en el rotor, que tiene la capacidad de arrancar directamente a una determinada frecuencia y voltaje. En la actualidad, se utiliza principalmente en campos petroleros, industrias de fibras químicas textiles, industrias de vidrio cerámico y bombas de ventilador con un largo tiempo de funcionamiento anual.
China desarrolló de forma independiente un motor de sincronización de imán permanente de alta eficiencia que puede resolver el problema del “caballo grande para conducir un automóvil pequeño” en las aplicaciones de yacimientos petrolíferos. El par de arranque es entre un 50% y un 100% mayor que el del motor de inducción. El motor inductivo es aproximadamente el 20%.
La rotación de carga en la industria de fibras químicas textiles es grande y requiere un par elevado. Diseñe razonablemente el coeficiente de fuga de carga vacía, la relación convexa, la resistencia del rotor, el tamaño del imán permanente y las vueltas del devanado del estator del motor síncrono de imán permanente, lo que puede mejorar el rendimiento de entrada del motor de imán permanente y promoverlo al nuevo tipo de textil y químico. industria de la fibra.
Cientos de kilovatios, industrias lácteas, petroleras, químicas y otras son utilizadas por cientos de kW y motores de bombas y ventiladores de grado Muwa. Mejore la eficiencia y el factor de potencia, ahorre energía y mejore la confiabilidad del funcionamiento.
3. El motor servo de imán permanente de CA y el motor de imán permanente de CC sin escobillas ahora utilizan cada vez más la fuente de alimentación del inversor y el conjunto de motor eléctrico de CA para reemplazar el sistema de regulación de velocidad del motor de CC. En el motor de CA, la velocidad del motor síncrono de imán permanente mantiene una relación constante con la frecuencia de potencia cuando funciona estable, de modo que se puede usar directamente para el sistema de regulación de velocidad de conversión de frecuencia que se puede usar para abrir el bucle. Este tipo de motor suele partir del aumento paulatino de la frecuencia del inversor. Se puede instalar en el rotor sin configurar un devanado de arranque, y el cepillo y el direccionador se guardan para mantener un mantenimiento conveniente.
El motor síncrono de imán permanente del inversor y el sistema de control de bucle cerrado de la posición del rotor constituyen un motor de imán permanente autosincrónico. No solo tiene el excelente rendimiento de regulación de velocidad del motor de CC de movilización electromotriz, sino que también funciona sin escobillas. Se utiliza principalmente para ocasiones de alta precisión de control y alta confiabilidad, como aviación, aeroespacial, máquinas herramienta CNC, centros de procesamiento, robots, vehículos eléctricos, equipos periféricos de computadora, etc.
Se ha desarrollado el motor síncrono de imán permanente NdFEB y el sistema de accionamiento con un amplio rango de velocidad y una alta relación potencia-velocidad constante. La relación de velocidad es tan alta como 1:22,500 y la velocidad límite es tan alta como 9 r/min. El motor síncrono de imán permanente es el motor ideal para vehículos eléctricos, máquinas herramienta y otros dispositivos de conducción debido a su alta eficiencia, baja vibración, bajo ruido y alta densidad de par.
Con la mejora continua del nivel de vida de las personas, los requisitos para los electrodomésticos son cada vez mayores. Por ejemplo, los acondicionadores de aire domésticos no solo consumen energía, sino también la principal fuente de ruido, y su tendencia de desarrollo es utilizar motores de CC sin escobillas de imán permanente que pueden regular la velocidad de forma continua. Puede ajustarse automáticamente a la velocidad adecuada durante mucho tiempo según el cambio de temperatura ambiente, reducir el ruido y la vibración, hacer que las personas se sientan más cómodas, pero también ahorrar 1/3 que el aire acondicionado sin regulación de velocidad. Otros, como frigoríficos, lavadoras, recolectores de polvo, ventiladores, etc., también están cambiando gradualmente a motores CC sin escobillas.
4. El motor de CC de imán permanente después del uso de excitación de imán permanente, no solo conserva las buenas características de regulación de velocidad y las características mecánicas del motor de CC de excitación eléctrica, sino que también tiene una estructura simple, volumen pequeño, menos cobre y alta eficiencia debido a la eliminación del devanado de excitación y la pérdida de excitación. Por lo tanto, desde electrodomésticos, equipos electrónicos portátiles, herramientas eléctricas hasta sistemas de transmisión de posición y velocidad de precisión que requieren un buen rendimiento dinámico, los motores de CC de imanes permanentes se utilizan ampliamente. En los motores micro CC de menos de 500 W, los motores de imanes permanentes representan el 92%, mientras que los motores de imanes permanentes de menos de 10 W representan más del 99%.
En la actualidad, la industria automotriz de China se está desarrollando rápidamente, la industria automotriz es el mayor usuario de motores de imán permanente, el motor es una parte clave del automóvil, un automóvil de súper lujo, una variedad de usos diferentes del motor hasta más de 70 juegos. , la mayoría de los cuales son micromotores de CC de imán permanente de bajo voltaje. El motor de arranque para automóviles y motocicletas, que utiliza un imán permanente NdFeb y un engranaje planetario desacelerador, puede reducir la masa del motor de arranque a la mitad.
Clasificación de motores de imanes permanentes.
Hay muchos tipos de motores de imanes permanentes. Según la función del motor, se puede dividir aproximadamente en dos categorías: generador de imanes permanentes y motores de imanes permanentes.
El motor de imán permanente se puede dividir en motor de CC de imán permanente y motor de CA de imán permanente. El motor de CA de imán permanente se refiere a un motor síncrono polifásico con un rotor de imán permanente, por lo que a menudo se le llama motor síncrono de imán permanente (PMSM).
Motor DC de imán permanente si no hay drama eléctrico y conmutador para dividir. Se puede dividir en motor de corriente continua sin escobillas de imán permanente y motor de corriente continua sin escobillas de imán permanente (BLDC).
En el mundo actual, la teoría y la tecnología de la electrónica de potencia moderna se están desarrollando enormemente. Continúan apareciendo dispositivos electrónicos de potencia, como MOSFET, IGBT, MCT, etc., y el dispositivo de control ha sufrido cambios fundamentales. Desde que F. BlascEke propuso el principio del control vectorial del motor de CA en 1971, el desarrollo de la tecnología de control vectorial ha creado una nueva era en el control del servoaccionamiento de CA, y la introducción continua de varios microprocesadores de alto rendimiento ha acelerado aún más el desarrollo del servoaccionamiento de CA. sistemas para reemplazar los servosistemas DC. El servosistema de CA que reemplaza al servosistema de CC se ha convertido en una tendencia inevitable. Sin embargo, el motor síncrono de imán permanente (PMSM) con potencial de retorno de onda sinusoidal y el motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) con potencial de retorno de onda trapezoidal se convertirán en la corriente principal en el desarrollo de servosistemas de CA de alto rendimiento debido a su excelente rendimiento.
Precauciones relacionadas con el motor de imán permanente
1. Estructura del circuito magnético y cálculo del diseño.
Para aprovechar al máximo las propiedades magnéticas de diversos materiales magnéticos permanentes, especialmente las excelentes propiedades magnéticas de los imanes permanentes de tierras raras, y crear motores de imanes permanentes rentables, no es posible aplicar simplemente los métodos de cálculo de estructura y diseño de motores de imanes permanentes tradicionales o motores de excitación eléctrica, y se deben establecer nuevos conceptos de diseño para volver a analizar y mejorar la estructura del circuito magnético. Con el rápido desarrollo de la tecnología de hardware y software, así como la mejora continua de los métodos de diseño modernos, como el cálculo numérico del campo electromagnético, el diseño de optimización y la tecnología de simulación, a través de los esfuerzos conjuntos de los círculos académicos y de ingeniería, se han logrado grandes avances. en la teoría del diseño, método de cálculo, proceso estructural y tecnología de control de motores de imanes permanentes. Se ha creado y se mejora constantemente un conjunto completo de métodos de análisis e investigación y software de análisis y diseño asistido por computadora, que se combinan con el cálculo numérico del campo electromagnético y la solución analítica del circuito magnético equivalente.
2. Problemas de control
Una vez fabricado el motor de imán permanente, puede mantener su campo magnético sin energía externa, pero también hace que sea extremadamente difícil ajustar y controlar su campo magnético desde el exterior. Es difícil para el generador de imán permanente ajustar su voltaje de salida y su factor de potencia desde el exterior, y el motor de CC de imán permanente ya no puede ajustar su velocidad cambiando la excitación. Estos limitan el campo de aplicación de los motores de imanes permanentes. Sin embargo, con el rápido desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia y tecnología de control como MOSFET e IGBT, la mayoría de los motores de imanes permanentes se pueden utilizar sin control de campo magnético y solo con control de armadura. Es necesario combinar las tres nuevas tecnologías de materiales magnéticos permanentes de tierras raras, dispositivos electrónicos de potencia y control por microcomputadora en el diseño, para que el motor de imán permanente pueda funcionar en nuevas condiciones.
3. Problema de desmagnetización irreversible
Si el diseño o uso es inadecuado, la temperatura del motor de imán permanente es demasiado alta (imán permanente NdFeb) o demasiado baja (imán permanente de ferrita), bajo la acción de la reacción del inducido generada por la corriente de impacto, o en la vibración mecánica violenta puede producen una desmagnetización irreversible, o pérdida de magnetismo, de modo que el rendimiento del motor se reduce, o incluso no se puede utilizar. Por lo tanto, es necesario investigar y desarrollar métodos y dispositivos adecuados para que los fabricantes de motores verifiquen la estabilidad térmica de los materiales magnéticos permanentes y analicen la capacidad antidesmagnetización de diversas formas estructurales, a fin de adoptar las medidas correspondientes para garantizar que los imanes permanentes El motor magnético no pierde magnetismo al diseñar y fabricar.
4. Costo
El motor de imán permanente de ferrita, especialmente el motor de CC de imán micropermanente, se ha utilizado ampliamente debido a su estructura y proceso simples, masa reducida y costo total más bajo que el motor de excitación eléctrica. Dado que el precio actual del imán permanente de tierras raras sigue siendo relativamente caro, el costo del motor de imán permanente de tierras raras es generalmente más alto que el del motor de excitación eléctrica, lo que debe compensarse con su alto rendimiento y ahorro en costos operativos. En algunos casos, como el motor de bobina móvil de la unidad de disco de la computadora, se mejora el rendimiento del imán permanente de Ndfeb, se reduce significativamente el volumen y se reduce el costo total. En el diseño, es necesario decidir si elegir de acuerdo con la comparación de rendimiento y precio de acuerdo con las ocasiones y requisitos de uso específicos, y llevar a cabo la innovación y optimización del diseño del proceso de estructura para reducir el costo.
