[Новости индустрии] Разработка двигателей с постоянными магнитами и их применение в различных областях

Двигатель с постоянными магнитами использует постоянные магниты для генерации магнитного поля двигателя. Он не требует обмоток возбуждения или токов возбуждения. Он имеет высокую эффективность и простую конструкцию. Это хороший энергосберегающий двигатель. С появлением высокоэффективных материалов постоянных магнитов и быстрым развитием технологии управления. Применение двигателей с постоянными магнитами станет более широким.

История развития двигателей с постоянными магнитами

Развитие двигателей с постоянными магнитами тесно связано с развитием материалов постоянных магнитов. Моя страна является первой в мире страной, которая открыла магнитные свойства материалов постоянных магнитов и применила их на практике. Более двух тысяч лет назад в моей стране был создан компас, использующий магнитные свойства материалов постоянных магнитов, который сыграл огромную роль в навигации, военном деле и других областях. Он стал одним из четырех великих изобретений в древней моей стране.

Первый в мире двигатель, появившийся в 1820-х годах, был двигателем с постоянными магнитами, который генерировал магнитное поле возбуждения от постоянного магнита. Но материал постоянного магнита, используемый в то время, был природным магнетитом (Fe3O4), который имел очень низкую плотность магнитной энергии. Двигатель, изготовленный из него, был огромным и вскоре был заменен двигателем с электрическим возбуждением.

С быстрым развитием различных двигателей и изобретением современных намагничивателей люди провели глубокие исследования механизма, состава и технологии производства материалов постоянных магнитов и последовательно открыли углеродистую сталь и вольфрамовую сталь (максимальный магнитный энергопродукт составляет около 2,7 кДж/м3). ), кобальтовую сталь (максимальный магнитный энергопродукт составляет около 7,2 кДж/м3) и многие другие материалы постоянных магнитов.

В особенности постоянные магниты AlNiCo, появившиеся в 1930-х годах (максимальный магнитный энергопродукт может достигать 85 кДж/м3), и ферритовые постоянные магниты, появившиеся в 1950-х годах (максимальный магнитный энергопродукт может достигать 40 кДж/м3), магнитные свойства значительно улучшились, различные микро- и малые двигатели использовали постоянные магниты для возбуждения. Мощность двигателей с постоянными магнитами составляет от нескольких милливатт до десятков киловатт. Они широко используются в военной, промышленной и сельскохозяйственной продукции и повседневной жизни, и их выпуск резко возрос. Соответственно, в этот период были достигнуты прорывы в теории проектирования, методе расчета, намагничивании и технологии производства двигателей с постоянными магнитами, и был сформирован ряд аналитических методов исследования, представленных графическим методом диаграммы работы постоянного магнита.

Однако коэрцитивная сила постоянных магнитов AlNiCo низка (36～160 кА/м), а остаточная плотность ферритовых постоянных магнитов невысока (0,2～0,44 Т), что ограничивает их область применения в двигателях. До 1960-х и 1980-х годов появились редкоземельные кобальтовые постоянные магниты и неодимовые железо-борные постоянные магниты (оба в совокупности называются редкоземельными постоянными магнитами), их высокая остаточная плотность, высокая коэрцитивная сила, высокий энергопродукт и линейная кривая размагничивания. Его превосходные магнитные свойства особенно подходят для изготовления двигателей, благодаря чему развитие двигателей с постоянными магнитами вступило в новый исторический период.

Особенности и применение двигателей с постоянными магнитами

По сравнению с традиционными двигателями с электрическим возбуждением, двигатели с постоянными магнитами, особенно редкоземельные двигатели с постоянными магнитами, имеют простую конструкцию, надежную работу; малые размеры, малый вес; малые потери, высокая эффективность; форма и размеры двигателя могут быть гибкими и разнообразными и другие значительные преимущества. Поэтому область применения чрезвычайно широка, охватывая практически все области аэрокосмической отрасли, национальной обороны, промышленного и сельскохозяйственного производства и повседневной жизни. Ниже представлены основные характеристики нескольких типичных двигателей с постоянными магнитами и их основные области применения.

По сравнению с традиционными генераторами, генератор с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов синхронный генератор с постоянными магнитами не требует устройства скользящих колец и щеток, имеет простую конструкцию и снижает вероятность отказов. Использование редкоземельных постоянных магнитов также может увеличить плотность магнитного потока в воздушном зазоре, увеличить скорость двигателя до оптимального значения и улучшить соотношение мощности и массы. Практически все генераторы для современной авиации и космонавтики используют генераторы с редкоземельными постоянными магнитами. Его типичными продуктами являются 150 кВА 14-полюсные синхронные генераторы с постоянными магнитами из редкоземельного кобальта со скоростью 12 000 об/мин～21 000 об/мин и 100 кВА 60 000 об/мин, изготовленные компанией General Electric в США. Первый разработанный в Китае двигатель с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов представляет собой генератор с постоянными магнитами мощностью 3 кВт и скоростью вращения 20 000 об/мин.

Генераторы с постоянными магнитами также используются в качестве вспомогательных возбудителей для больших турбогенераторов. В 1980-х годах моя страна успешно разработала вспомогательные возбудители с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов мощностью 40 кВА～160 кВА, которые на тот момент были самыми мощными в мире. После установки на паротурбинные генераторы мощностью 200 МВт～600 МВт значительно повышается надежность работы электростанции.

В настоящее время постепенно внедряются небольшие генераторы, приводимые в действие двигателями внутреннего сгорания, для автономных источников питания, генераторы с постоянными магнитами для транспортных средств и небольшие ветрогенераторы с постоянными магнитами, непосредственно приводимые в действие ветровыми колесами.

Важная роль двигателей с постоянными магнитами в различных областях применения

1 Энергосберегающие двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов в основном используются для потребления, например, синхронные двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов для текстильной и химико-волокнистой промышленности, нефтяной, горнодобывающей промышленности, синхронные двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов в горнодобывающей технике, синхронные двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов приводят в действие различные насосы и вентиляторы.

2 Различные двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов используются различными типами транспортных средств (автомобили, мотоциклы, поезда), и двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов являются самым большим рынком. По статистике, около 70% двигателей с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов используются в транспортных средствах. Для автомобилей класса люкс существует более 70 комплектов двигателей для различных применений. Поскольку требования к различным автомобильным двигателям различны, выбор материалов постоянных магнитов также различен. Магниты двигателя используются в кондиционерах, вентиляторах и электростеклоподъемниках. С точки зрения цены, преимущества феррита сохранятся и в будущем. Спеченные магниты Sm-Co по-прежнему используются для катушек зажигания, приводных устройств и датчиков. Кроме того, автозапчасти также немаловажны для электромобилей, как экологически чистых (EV) и гибридных электромобилей (HEV).

3 Сервосистема переменного тока с двигателем на основе редкоземельных постоянных магнитов Комплекс электронных, высокопроизводительных, скоростных систем мехатронных машин. Система представляет собой саморегулируемый синхронный двигатель с постоянными магнитами в качестве основного компонента. Система используется для разработки станков с ЧПУ, гибких технологий производства; также используется для электромобилей, вместо традиционных автомобилей с тепловой энергией, без выбросов от транспортных средств. Двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов являются высокотехнологичной отраслью с многообещающими перспективами развития.

4 Новая область в основном предназначена для поддержки новой низкоэнергоемкой системы управления частотой вращения синхронного двигателя с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов для новых кондиционеров и холодильников, а также беспроводных электрических гаджетов, использующих различные микромоторы постоянного тока с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов. Бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов представляют собой приборы различной мощности. Спрос на такие двигатели также велик.

5 Материал постоянного магнита на основе редкоземельных элементов, обладающий преимуществами в аэрокосмических приложениях, делает его очень подходящим для применения в авиационных двигателях. Хотя в воздухе существует некоторое применение двигателей с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов (например, напряжение генератора и защита от короткого замыкания и т. д.), отечественные и зарубежные эксперты сходятся во мнении, что двигатели с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов являются важным направлением развития нового поколения авиационных двигателей.

Вопрос стоимости

Двигатели с ферритовыми постоянными магнитами, особенно миниатюрные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами, широко используются благодаря своей простой конструкции и уменьшенному весу, а их общая стоимость обычно ниже, чем у двигателей с электрическим возбуждением. Поскольку текущая цена редкоземельных постоянных магнитов все еще относительно высока, стоимость двигателей с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов обычно выше, чем у двигателей с электрическим возбуждением, что необходимо компенсировать их высокой производительностью и экономией эксплуатационных расходов.

В некоторых случаях, например, в двигателе с катушкой звуковой катушки дисковода компьютера, производительность неодимового железо-борного постоянного магнита улучшена, объем и масса значительно уменьшены, а общая стоимость снижена. При проектировании необходимо принимать решение на основе конкретных условий использования и требований, после сравнения производительности и цены, а также проводить инновации и оптимизацию конструкции процесса для снижения стоимости.