Где направление развития будущего синхронного мотора с постоянным магнитом?

Где направление развития будущего синхронного мотора с постоянным магнитом? Анализ текущей тенденции технологий и разработки

Развитие материалов с постоянными магнитами редкоземелью в 1970 -х годах привело к появлению редкоземельных перманентных магнитных двигателей. Эти двигатели используют редкоземельные магниты для возбуждения, которые генерируют постоянное магнитное поле, когда намагничены. Благодаря превосходной производительности возбуждения они превосходят обычные электрически возбужденные двигатели в стабильности, качеством и снижении потерь, тем самым изменив традиционный двигатель.

В последние годы, с быстрым развитием современной науки и техники, производительность и процесс электромагнитных материалов, особенно редкоземельные электромагнитные материалы, постепенно улучшались, в сочетании с быстрой разработкой электроники электроники и технологии передачи мощности, автоматической технологией управления, производительности постоянного синхронного мотора магнита становится все лучше и лучше.

Кроме того, синхронный двигатель постоянного магнита имеет преимущества легкого веса, простой структуры, небольшого размера, хороших характеристик и высокой плотности мощности. Многие научные исследовательские институты и предприятия активно проводят исследования и разработки синхронного мотора с постоянным магнитом, и его область применения будет дополнительно расширена.

Статус развития и исследования

1. Основа разработчика синхронного мотора с постоянным магнитом

① Применение высокопроизводительных материалов для постоянного магнита редкоземеля

Материалы для постоянного магнита редкоземелью развивались на трех этапах развития: SMCO5, SM2CO17 и ND2FE14B. Сегодня магниты неодимий -железа (NDFEB) выделяются как наиболее широко используемый тип из -за их превосходной магнитной производительности. Содействие постоянным магнитам привело к значительному прогрессу в постоянных двигателях магнитов. В отличие от традиционных электрически возбужденных трехфазных индукционных двигателей, эти двигатели устраняют необходимость в электрически возбужденных полюсах, упростить конструктивную конструкцию и устранить кольца и щетки для смазки ротора. Это инновация обеспечивает бесщеточную эксплуатацию, уменьшает размер ротора, повышает плотность мощности и плотность крутящего момента, повышает энергоэффективность и позволяет двигателям быть более компактными и легкими. Эти достижения расширили их применение и ускорили разработку электродвигателей с более высокой мощью.

② Применение новой теории управления

В последние годы в алгоритмах контроля наблюдается быстрое развитие. Среди них алгоритмы управления вектором в корне решали проблемы стратегии диска для двигателей AC, что позволило им достичь превосходной эффективности контроля. Появление прямого управления крутящим моментом упростило структуру управления, демонстрируя сильную адаптивность к изменениям параметров и быстрым динамическим откликом крутящего момента. Технология контроля косвенного момента решает проблему значительной пульсации крутящего момента на низких скоростях при прямом контроле крутящего момента, тем самым повышая как скорость двигателя, так и точность управления.

③ Применение высокоэффективной электроники и процессоров питания

Современная электроника служит жизненно важным взаимодействием между информационной отраслью и традиционными секторами, выступая в качестве моста между системами низкого напряжения и контролируемыми высоковольтными приложениями. Содействие Power Electronics позволило внедрить стратегии управления дисками. Например, 1970-е годы стали свидетелями появления универсальных частотных преобразователей, которые могут превратить промышленные запасы мощности в непрерывно регулируемые источники мощности частоты, что создает условия для преобразования частоты переменного тока и регулирования скорости. Эти преобразователи частоты имеют возможности мягкого запуска после настройки частоты, что позволяет постепенно ускорять от нуля к целевой частоте с заранее определенной скоростью. Скорость ускорения может быть непрерывно скорректирована в широком диапазоне, эффективно решая проблемы запуска синхронных двигателей.

2. Состояние развития синхронного мотора с постоянным магнитом дома и за рубежом

Первым двигателем в истории был постоянный мотор магнитов. В то время производительность материалов с постоянными магнитами была относительно плохим, а коэрцитивность и остаточная перенастренные магниты были слишком низкими, поэтому вскоре он был заменен электрически возбужденным двигателем.

В 1970-х годах материалы для постоянного магнита редкоземельной земли, такие как неодимский железный бор (NDFEB), приобрели известность из-за их исключительной коэрцитивности, остаточности, сильной способности к размагничиванию и высокой магнитной энергии. Эти свойства продвигали мощные синхронные двигатели с мощными постоянными магнитами на историческую стадию. Сегодня исследования по синхронным моторам с постоянными магнитами значительно созрели, продвигаясь к более высоким скоростям, большему крутящему моменту, более высокой выходной мощности, повышению эффективности, а также миниатюризации и интеллектуальному развитию.

В последние годы в отрасли появились высококачественные синхронные двигатели с постоянными магнитами. Примечательным примером является шестифазный двигатель 230R/мин/1095 кВт, разработанный Германией Siemens в 1986 году. При использовании для питания военно-морских сосудов эта усовершенствованная конструкция уменьшает размер двигателя почти на 60% по сравнению с традиционными двигателями DC, в то же время сокращая потери энергии примерно на 20%. Кроме того, швейцарская компания ABB построила постоянные синхронные двигатели магнитов для движения корабля с максимальной установленной емкостью 38 МВт.

Исследование на постоянном магнитном моторе началось в конце Китая, но с сильными инвестициями внутренних ученых и правительства оно быстро развивалось. В настоящее время Китай разработал и производил 3 МВт высокоскоростного постоянного ветряного генератора магнитов, а компания CRRC Zhuzhou также разрабатывает более мощный постоянный магнитный двигатель.

Благодаря разработке технологии микрокомпьютера и технологии автоматического управления, синхронные моторы с постоянными магнитами широко использовались в различных областях. Теперь, из -за социального прогресса, требования людей к постоянным магнитным синхронным двигателям стали более требовательными, что побуждает развивать постоянные магнитные двигатели иметь больший диапазон регулирования скорости и более высокий контроль точного.

Из-за улучшения технологии производства высокопроизводительные материалы для постоянных магнитов были дополнительно разработаны. Это делает его стоимость значительно снижается и постепенно применяется в различных областях жизни.

 Текущая технология

1. Технология конструкции синхронного моторики постоянного магнита

По сравнению с обычными электрически возбужденными двигателями, синхронные двигатели с постоянными магнитами устраняют необходимость в обмотках возбуждения, коллекционных колец и шкафах возбуждения. Эта конструкция не только значительно повышает стабильность и надежность, но и достигает существенных повышений эффективности. В частности, встроенные перманентные магнитные двигатели демонстрируют такие преимущества, как высокая эффективность, превосходная коэффициент мощности, высокая плотность мощности на единицу, сильные возможности низкого напряжения скорости скорости и быстрый динамический отклик, что делает их идеальным выбором для применения привода. Тем не менее, постоянные магниты обеспечивают все магнитное поле возбуждения, которое увеличивает крутящий момент замирания и, следовательно, вызывает вибрацию и шум двигателя во время работы. Чрезмерный крутящий момент с загрязнянием может поставить под угрозу как низкоскоростную производительность систем управления скоростью, так и возможностей высокого расположения систем управления положением. Следовательно, моторная конструкция должна определить приоритеты оптимизации компонентов, чтобы минимизировать крутящий момент.

Исследования показывают, что общие методы уменьшения крутящего момента зубных слотов включают модификацию коэффициентов полюсной дуги, уменьшение ширины слота статора, реализацию наклонных слотов и координацию слота полюса, а также регулирующие положения магнитного полюса, размеры и формы. Тем не менее, важно отметить, что эти меры могут отрицательно влиять на другие характеристики моторной производительности, такие как потенциально уменьшение электромагнитного крутящего момента. Следовательно, во время проектирования инженеры должны стремиться сбалансировать все факторы для достижения оптимальной производительности двигателя.

2Технология синхронного моделирования постоянного магнита

Наличие постоянных магнитов в моторах с постоянными магнитами представляет проблемы для дизайнеров при расчете параметров, таких как проницаемость утечки без нагрузки и коэффициент полюсной дуги. Программное обеспечение для анализа конечных элементов обычно используется для оптимизации этих моторных параметров. Это программное обеспечение обеспечивает высокие точные расчеты параметров, а его применение при анализе, как параметры двигателя влияют на производительность, дают надежные результаты.

Методы вычисления конечных элементов обеспечивают более удобный, эффективный и точный подход для анализа электромагнитных полей в двигателях. В качестве численного метода, разработанного из метода конечных различий, он широко использовался в научных и инженерных дисциплинах. Процесс включает математически дискретизация доменов непрерывного решения в дискретные элементы, за которыми следует кусочная интерполяция в каждом элементе для формирования линейных функций интерполяции (то есть функций аппроксимации). Благодаря анализу моделирования конечных элементов мы можем визуально наблюдать за схемами магнитного потока и распределением плотности потока внутри двигательных интерьеров.

3. Технология управления синхронным двигателем постоянного магнита

Повышение производительности системы моторного привода в равной степени имеет решающее значение для разработки промышленного контроля. Эта технология оптимизирует производительность системы благодаря своим фундаментальным характеристикам: обеспечение высокого крутящего момента во время быстрого ускорения и стационарного ускорения в условиях низкой скорости, одновременно обеспечивая широкое постоянное регулирование скорости мощности на высоких скоростях. В таблице 1 содержится сравнение показателей производительности ключевых двигателей.

Постоянные магнитные двигатели демонстрируют исключительную надежность, широкий диапазон регулирования скорости и высокую эффективность. При сочетании с соответствующими методами управления вся моторная система может достичь оптимальной производительности. Следовательно, выбор подходящих алгоритмов управления для эффективной регуляции скорости позволяет системе двигателя эффективно работать в широком диапазоне скорости и зонах постоянной мощности. Методы управления вектором широко используются в алгоритмах регуляции постоянного магнита двигателя из-за их преимуществ, включая обширный диапазон контроля скорости, высокую эффективность, надежность, стабильность и экономическую эффективность. Эти методы широко используются в моторных приводах, транзитных системах железнодорожных транспортных средств и сервоприводах с помощью машинного инструмента. Различные сценарии приложений требуют соответствующих стратегий управления вектором текущих векторов.

Особенности и классификации

1Характеристики синхронного мотора с постоянным магнитом

Постоянные синхронные двигатели с постоянными магнитами имеют простую структуру, низкую потерю энергии и высокий коэффициент мощности. В отличие от электрически возбужденных двигателей, которые требуют кистей и коммутаторов, они устраняют необходимость в токах реактивного возбуждения. Эта конструкция уменьшает потери тока статора и сопротивления, что приводит к повышению эффективности, большему крутящему моменту возбуждения и превосходному контролю. Тем не менее, они сталкиваются с такими проблемами, как высокие затраты и сложные начальные механизмы. С улучшением технологий управления двигателем-особенно векторных систем управления-постоянные магнитные синхронные двигатели теперь обеспечивают широкомасштабное регуляцию скорости, быстрый динамический отклик и управление высоким разрешением позиционирования. Эти возможности способствуют увеличению исследований в различных областях.

2. Классификация синхронных двигателей постоянных магнитов

① В соответствии с различным делением формирования формы волны магнитного поля ротора

Из -за различных форм магнитов ротора в синхронных двигателях постоянных магнитов, формы волны, образованные пространственным распределением магнитного поля ротора, также различаются. Традиционно, они разделены на два типа: синусоидальные постоянные синхронные системы управления скоростью мотора (где ротор генерирует синусоидальную электродвижущую силу задней части на статоре) и бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDCM), где ротор производит электромативную силу трапециевидной задней части на статоре.

② Согласно различной пространственной структуре постоянных магнитов в роторе

Постоянные синхронные двигатели магнитов классифицируются на поверхностные и встроенные типы на основе пространственного расположения постоянных магнитов в роторе. Поверхностные модели имеют магниты в форме плитки, которые плотно прилипают к внешней поверхности сердечника ротора. Ключевая характеристика этих двигателей заключается в том, что значения индуктивности как для конфигураций прямого оси, так и для конфигураций по оси чередующейся оси остаются идентичными.

В встроенных перманентных магнитных двигателях постоянные магниты размещаются в ядре ротора. Между внешней поверхностью этих магнитов и внутренней окружностью сердечника статора есть полюсные туфли из ферромагнитного материала. Эти полюсные туфли служат для концентрации магнитного потока, тем самым усиливая магнитную плотность воздуха и улучшая форму волны магнитного поля с воздушным зазором без нагрузки. Ключевой особенностью этого типа постоянного магнитного двигателя является его асимметричная конфигурация между прямой осью и магнитными схемами с переменной оси.

Производительность этих двух двигателей отличается. По сравнению с поверхностным двигателем с постоянным магнитом встроенный двигатель постоянного магнита обладает преимуществами слабой способности к расширению магнитной скорости, быстрым динамическим откликом и небольшим крутящим моментом.

Тенденция развития синхронного мотора с постоянным магнитом

1. Неясный мотор постоянного тока с магнитом (BLDCM)

С 1980 -х годов технологии управления, особенно контрольные стратегии теории, наблюдали быстрое развитие. Расширенные подходы, такие как управление режимом скольжения и управление переменной структурой, теперь интегрируются в контроллеры для бесщеточных двигателей с постоянными магнитами. Это продвижение проложило путь для высокопроизводительных систем развиваться в интеллектуальные, гибкие и полностью цифровые решения. По мере того, как живые стандарты продолжают расти, и повышается осведомленность о защите окружающей среды, принятие высокопроизводительных моторных систем стало неизбежной тенденцией в автомобильной промышленности. Ожидается, что эти системы также увидят более широкие применения в небольших моторных секторах, таких как электромобили и бытовые приборы в ближайшие годы.

2. Тенденция развития PMSM

Servo System PMSM будет развиваться в двух направлениях из -за своей собственной технологии и области применения:

① Простые и недорогие сервоприводы в области оборудования офисной автоматизации, простые машины ЧПУ, компьютерное периферийное оборудование, бытовые приборы и управление промышленным движением с низкими требованиями к производительности;

② Высокие машины с ЧПУ, роботы, точная подача для специального обработчивого оборудования, а также высокопроизводительные полностью цифровые, интеллектуальные и гибкие сервоприводы для авиации и аэрокосмической промышленности. Последний может лучше отражать преимущества сервоприводов и станет основным направлением будущего развития.

Классификация методов проектирования для синхронных двигателей постоянных магнитов

1. Метод магнитной схемы:
Неравномерное чередующее магнитное поле в двигателе может быть эквивалентно смоделировано как соответствующая магнитная цепь, превращая расчеты магнитного поля в вычисления магнитной цепи. Однако, поскольку в эквивалентном расчете магнитной цепи используется многочисленные коэффициенты коррекции, его точные значения не могут быть теоретически определены. Поэтому обычно используются эмпирические данные. Если предварительный дизайн не отвечает требованиям, дизайнеры должны перекалибровать значения коррекции и пересчитывать результаты.

2. Метод конечных элементов:
Для обеспечения точных расчетов необходим анализ электромагнитного поля, включая такие факторы, как конфигурация постоянного магнитного полюса и локальная размагничиваемость. Использование программного обеспечения для анализа конечных элементов для численных вычислений значительно снизило затраты на разработку продукта, одновременно предоставляя точные данные для моторной оптимизации. Достижения в области вычислительной мощности позволили эволюцию различных аналитических методов в численных вычислениях электромагнитного поля. Метод конечных элементов по существу превращает задачи в структурно разрешаемые системы, идеализация непрерывных систем с бесконечными степенями свободы в конечные наборы единичных ячеек. В настоящее время ANSYS является наиболее широко используемым программным обеспечением для моделирования конечных элементов, способным провести комплексное совместное моделирование для целых моторных систем.

3. Метод комбинации полевых дорог ：

В то время как метод магнитной схемы обеспечивает быструю скорость вычисления, ему не хватает точности. Хотя компьютерные методы обеспечивают высокую точность, они являются вычислительными интенсивными и требуют расширенного оборудования. Интегрируя анализ конечных элементов с традиционными методами магнитной цепи в численных расчетах электромагнитных двигателей, мы можем повысить как вычислительную эффективность, так и точность - практическое подход со значительным значением для конструкции моторных параметров. Методология интеграции в полевых целях следует за трехэтапным процессом: во-первых, геометрические модели предварительно устанавливаются с использованием расчетов магнитной цепи. Впоследствии анализ конечных элементов применяется для точного определения коэффициентов, требующих коррекции в эквивалентном методе магнитной цепи.