Korzyści i wyzwania związane z wyborem silników magnetycznych stałych

Popyt na wysokiej wydajności, energooszczędne silniki nadal rośnie w nowoczesnych zastosowaniach przemysłowych i transportowych.Silniki magnetyczne stałe (PMM) uzyskały dominującą pozycję w wielu zastosowaniach ze względu na ich wyjątkową wydajność w niskich prędkościach, wysokiej wydajności i kompaktowej struktury.PMM nie są pozbawione ograniczeń, ich charakterystyka stanowi kilka wyzwań, które wymagają dokładnej analizy i kompromisów w praktycznych zastosowaniachRaport ten przedstawia kompleksową perspektywę ekspercką na temat zalet i ograniczeń PMM, oferując wskazówki dla inżynierów i decydentów w zakresie wyboru i zastosowania silników.

W przeciwieństwie do tradycyjnych silników podnieconych elektrycznie,PMM nie wymagają dodatkowego prądu pobudzenia, aby utrzymać pole magnetyczneSilnik składa się głównie ze statora i wirnika, z magnesami stałymi zamontowanymi na wirniku i uzwojami armatury owiniętymi na statorze.Kiedy prąd przepływa przez uzwojenia statora, powstałe pole elektromagnetyczne wchodzi w interakcję z polem magnetycznym stałym w celu wytworzenia momentu obrotowego napędzającego obrót silnika.

W oparciu o konfiguracje montażu magnesów, PMM można podzielić na kilka głównych typów:

• Wymagania w odniesieniu do urządzeń, które mają być stosowane do wykonywania zadań określonych w pozycji 1A001.Magnesy są montowane bezpośrednio na powierzchni wirnika.
• Wnętrze PMM (IPM):Magnesy są osadzone w obrębie wirnika, zapewniając lepszą wytrzymałość mechaniczną i większą prędkość.IPM mogą wykorzystać moment odchylenia poprzez zoptymalizowaną konstrukcję obwodu magnetycznego w celu zwiększenia gęstości mocy i wydajności.
• Wyrób PMM z koncentracją nawijania:Wykorzystuje uzwojenia statorowe skoncentrowane wokół poszczególnych zębów, zmniejszając opór uzwojenia i indukcyjność w celu poprawy wydajności i gęstości mocy.
• PMM strumieniowego przepływu:Najczęściej występujący typ o polach magnetycznych prostopadłych do osi wału, szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych i transportowych.
• PMM przepływu osiowego:Wykorzystuje równoległe pola magnetyczne do osi wału, oferując kompaktowe konstrukcje idealne dla ograniczonych przestrzeni.

Główne składniki PMM obejmują:

• Magnesy stałe:Główny składnik zapewniający stabilne pola magnetyczne, zwykle wykonany z materiałów neodymowo-żelazowo-boronowych (NdFeB), samarium-kobalt (SmCo) lub ferrytu.
• Węzły statorowe:Owinięcia z miedzi lub aluminium generujące moment elektromagnetyczny.
• O masie przekraczającej 50 cm3Laminaty z stali krzemowej, które kończą obwód magnetyczny.
• Łożyska:Wspieraj wirnik, aby działał płynnie.
• Osiedle:Chroni wewnętrzne elementy i zapewnia rozpraszanie ciepła.

• Wysoka wydajność:Eliminacja prądu pobudzenia znacząco zmniejsza straty energii, szczególnie korzystne w warunkach częściowego obciążenia.
• Wysoka gęstość mocy:Dostarcza dużej mocy w kompaktowych czynnikach kształtu, idealnie nadaje się do pojazdów elektrycznych i robotyki.
• Doskonała wydajność w niskich prędkościach:Zapewnia stabilny moment obrotowy przy niskich prędkościach, nadaje się do serwo-systemów i turbin wiatrowych.
• Szybka reakcja:Niska bezwładność umożliwia szybkie dynamiczne działanie dla maszyn robotycznych i CNC.
• Kompaktowa konstrukcja:Wyeliminowanie uzwojen i pierścieni ślizgowych zmniejsza rozmiar i wagę.
• Niski poziom hałasu:Kontrola prądu fal sinus i zoptymalizowana konstrukcja mechaniczna minimalizują hałas operacyjny.

• Ograniczenia prędkości:Wsteczne EMF przy dużych prędkościach zbliża się do napięcia zasilania falownika, ograniczając skuteczność sterowania prądem.
• Ograniczenia osłabienia pola:Silniki IPM wykorzystujące techniki osłabiania pola mają do czynienia z praktycznymi ograniczeniami zakresu prędkości (względ 4: 1) i zwiększonymi stratami.
• Zarządzanie usterkami:Wręczne EMF mogą powodować ciągły przepływ prądu podczas awarii, stwarzając zagrożenia dla bezpieczeństwa.
• Wskaźnik czułości do temperatury:Wysokie temperatury mogą powodować demagnetyzację (z wyjątkiem rzadkoziemnych magnesów kobaltowych).
• Wytrzymałość mechaniczna:W przypadku szybkiej pracy istnieje ryzyko oderwania się magnesów z powodu sił odśrodkowych.
• Utrzymanie i recykling:Złożone wymagania dotyczące demontażu i specjalistyczne procesy recyklingu.
• Wyższe koszty:Materiały magnetyczne zwiększają koszty produkcji w porównaniu z tradycyjnymi silnikami.

Kluczowe aspekty obejmują zakres prędkości, wymagania dotyczące momentu obrotowego/moc, cele efektywności, warunki środowiskowe, ograniczenia wielkości, budżet, potrzeby niezawodności, metodologię sterowania,i wymagania ochrony.

Wybór pomiędzy SPM (niskiej prędkości, wrażliwy na koszty), IPM (wysokiej prędkości, intensywnej mocy), koncentrowanym uzwojeniem (wysokiej wydajności) lub układami strumieniowymi (ograniczonym przestrzenią) w oparciu o priorytety aplikacji.

W celu uzyskania maksymalnej wydajności (ograniczona tolerancja temperatury) należy wybrać NdFeB, w przypadku zastosowań o wysokiej temperaturze SmCo lub feryt w przypadku zastosowań o wysokiej wydajności.

Zaawansowane techniki obejmują optymalizację obwodu magnetycznego, redukcję momentu obrotowego koła, ulepszenia konstrukcji uzwojenia i ulepszenia zarządzania cieplnym.

Opcje obejmują sterowanie ukierunkowane na pole (wysoka precyzja), bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym (szybka reakcja) lub sterowanie bez czujników (oszczędność kosztów / przestrzeni).

Wdrożyć systemy ochrony przed prądem, nad napięciem, nadtemperaturą, zwarciem i zatrzymaniem.

Projektowanie w celu zapewnienia sprawności użytkowania i odzyskiwania materiałów wycofanych z eksploatacji podczas wstępnej selekcji.

• Pojazdy elektryczne:Główne elementy napędowe z wysoką wydajnością i gęstością mocy.
• Automatyka przemysłowa:Systemy serwo, robotyka i maszyny CNC wymagające precyzji i niezawodności.
• W przemyśle lotniczym:Systemy lotnicze i drony wymagające lekkich, wydajnych rozwiązań.
• Urządzenia domowe:Energooszczędna, cicha obsługa klimatyzacji i bielizny.
• Energia odnawialna:Elektrownie wiatrowe i wodne wymagające trwałej, wydajnej konwersji energii.

Silniki magnetyczne stałe stanowią rozwiązanie o wysokiej wydajności o szerokim zastosowaniu w różnych branżach.Skuteczne wdrożenie wymaga dogłębnego zrozumienia ich możliwości i ograniczeń, w połączeniu z dokładną oceną specyficzną dla danego zastosowania.Inżynierowie mogą w pełni wykorzystać zalety PMM przy jednoczesnym ograniczeniu potencjalnych ryzyk.