Apakah Anda benar-benar memahami desain magnet permanen dari motor magnet permanen?

Pengembangan motor magnet permanen berkaitan erat dengan pengembangan bahan magnet permanen.
Perkembangan motor magnet permanen berkaitan erat dengan perkembangan material magnet permanen. Negara saya adalah negara pertama di dunia yang menemukan sifat magnetik material magnet permanen dan menerapkannya dalam praktik. Lebih dari dua ribu tahun yang lalu, negara kami menggunakan sifat magnetik material magnet permanen untuk membuat kompas, yang telah memainkan peran penting dalam navigasi, militer, dan bidang lainnya. Kompas telah menjadi salah satu dari empat penemuan besar di negara saya kuno.

Motor pertama di dunia yang muncul pada tahun 1820-an adalah motor magnet permanen dengan medan magnet eksitasi yang dihasilkan oleh magnet permanen. Namun, material magnet permanen yang digunakan saat itu adalah magnetit alami (Fe3O4), yang memiliki kerapatan energi magnetik yang sangat rendah. Motor yang terbuat dari magnetit alami berukuran besar, dan segera digantikan oleh motor eksitasi listrik.

Dengan perkembangan pesat berbagai motor dan penemuan magnetizer saat ini, orang-orang telah melakukan penelitian mendalam tentang mekanisme, komposisi dan teknologi manufaktur bahan magnet permanen, dan telah berturut-turut menemukan baja karbon dan baja tungsten (produk energi magnetik maksimum sekitar 2.7 kJ/m3), baja kobalt (produk energi magnetik maksimum sekitar 7.2 kJ/m3) dan bahan magnet permanen lainnya. Secara khusus, magnet permanen AlNiCo yang muncul pada tahun 1930-an (produk energi magnetik maksimum dapat mencapai 85 kJ/m3) dan magnet permanen ferit yang muncul pada tahun 1950-an (produk energi magnetik maksimum sekarang dapat mencapai 40 kJ/m3) memiliki berbagai sifat magnetik. Dengan peningkatan besar, berbagai motor mikro dan kecil telah menggunakan eksitasi magnet permanen. Daya motor magnet permanen sekecil beberapa miliwatt dan sebesar puluhan kilowatt. Mereka banyak digunakan dalam produksi militer, industri dan pertanian dan kehidupan sehari-hari, dan output telah meningkat tajam. Sejalan dengan itu, selama periode ini, terobosan telah dibuat dalam teori desain, metode perhitungan, magnetisasi dan teknologi manufaktur motor magnet permanen, dan serangkaian metode analisis dan penelitian yang diwakili oleh diagram kerja magnet permanen telah dibentuk. Namun, koersivitas magnet permanen AlNiCo rendah (36-160 kA/m), dan kerapatan remanensi magnet permanen ferit tidak tinggi (0.2-0.44 T), yang membatasi aplikasinya pada motor. Hingga tahun 1960-an dan 1980-an, magnet permanen kobalt tanah jarang dan magnet permanen boron besi neodymium (keduanya secara kolektif disebut sebagai magnet permanen tanah jarang) keluar berturut-turut, dengan kerapatan remanensi tinggi, koersivitas tinggi, produk energi magnetik tinggi dan kurva demagnetisasi linier. Sifat magnetik yang sangat baik dari motor magnet permanen sangat cocok untuk pembuatan motor listrik, sehingga pengembangan motor magnet permanen telah memasuki periode sejarah baru.

Bahan magnet permanen

Magnet motor: Bahan magnet permanen yang umum digunakan dalam motor meliputi magnet sinter dan magnet terikat, jenis utamanya adalah AlNiCo, ferit, samarium kobalt, NdFeB, dll.
AlNiCo: Material magnet permanen AlNiCo merupakan material magnet permanen paling awal yang banyak digunakan, dan proses serta teknologi preparasinya relatif matang. Saat ini, terdapat pabrik di Jepang, Amerika Serikat, Eropa, Rusia, dan Tiongkok. Di antara perusahaan-perusahaan produksi skala besar, magnet permanen Hangzhou saat ini merupakan yang pertama di Tiongkok, dengan kapasitas produksi tahunan sebesar 3,000 ton.

Material ferit magnet permanen: Ferit mulai berkembang pesat pada tahun 1950-an. Terutama pada tahun 1970-an, ferit strontium, yang memiliki kinerja lebih baik dalam gaya koersif dan energi magnet, mulai diproduksi dalam jumlah besar, dan penggunaan ferit magnet permanen pun meluas dengan cepat. Sebagai material magnetik non-logam, ferit tidak memiliki kekurangan seperti mudah teroksidasi, suhu Curie rendah, dan biaya material magnet permanen logam yang tinggi, sehingga sangat populer.

Material kobalt samarium: material magnet permanen dengan sifat magnetik yang sangat baik, muncul pada pertengahan 1960-an, dan kinerjanya sangat stabil. Samarium kobalt sangat cocok untuk pembuatan motor karena sifat magnetiknya, tetapi karena harganya yang tinggi, material ini terutama digunakan dalam penelitian dan pengembangan motor untuk penerbangan, kedirgantaraan, persenjataan, dan motor militer lainnya, serta motor berkinerja tinggi di bidang teknologi tinggi di mana harga bukan faktor utama.

Material NdFeB: Material magnetik NdFeB adalah paduan neodymium, oksida besi, dll., yang juga dikenal sebagai baja magnetik. Material ini memiliki produk energi magnetik dan gaya koersif yang sangat tinggi, dan pada saat yang sama, keunggulan kepadatan energinya yang tinggi membuat material magnet permanen NdFeB banyak digunakan dalam industri modern dan teknologi elektronik. Ukuran, berat, dan ketebalannya dapat dikurangi. Karena mengandung banyak neodymium dan besi, material ini mudah berkarat. Pasivasi kimia permukaan merupakan salah satu solusi terbaik saat ini.

Hubungan antara kinerja baja magnetik dan kinerja motor

1. Pengaruh magnet sisa

Untuk motor DC, dengan parameter belitan dan kondisi pengujian yang sama, semakin tinggi remanensi, semakin rendah kecepatan tanpa beban dan semakin rendah arus tanpa beban; semakin besar torsi maksimum, semakin tinggi efisiensi pada titik efisiensi tertinggi. Dalam pengujian aktual, tingkat kecepatan tanpa beban dan besarnya torsi maksimum umumnya digunakan untuk menilai standar remanensi baja magnetik.

Untuk parameter belitan dan parameter kelistrikan yang sama, alasan mengapa semakin tinggi remanensi, semakin rendah kecepatan tanpa beban dan semakin rendah arus tanpa beban adalah karena motor yang sedang berjalan menghasilkan induktansi balik yang cukup pada kecepatan yang relatif rendah. Hal ini menghasilkan tegangan yang menyebabkan jumlah aljabar gaya gerak listrik yang diterapkan pada belitan berkurang.

2. Pengaruh koersivitas

Dalam proses pengoperasian motor, selalu ada pengaruh suhu dan demagnetisasi balik. Dari perspektif desain motor, semakin tinggi gaya koersif, semakin kecil arah ketebalan baja magnet, dan semakin kecil gaya koersif, semakin besar arah ketebalan baja magnet. Namun, setelah baja magnet melebihi gaya koersif tertentu, hal tersebut tidak berguna, karena komponen motor lainnya tidak dapat bekerja secara stabil pada suhu tersebut. Koersifitas hanya perlu memenuhi persyaratan, dan standarnya adalah memenuhi persyaratan dalam kondisi percobaan yang direkomendasikan, sehingga tidak perlu membuang-buang sumber daya.

3. Efek persegi

Kekuadratan hanya memengaruhi kelurusan kurva efisiensi uji kinerja motor. Meskipun kelurusan kurva efisiensi motor belum terdaftar sebagai standar indeks penting, hal itu sangat penting untuk jarak kelanjutan motor di dalam roda dalam kondisi jalan alami. Karena kondisi jalan yang berbeda, motor tidak selalu dapat bekerja pada titik efisiensi maksimum, yang merupakan salah satu alasan mengapa efisiensi maksimum beberapa motor tidak tinggi dan jarak kelanjutannya panjang. Motor di dalam roda yang baik tidak hanya harus memiliki efisiensi maksimum yang tinggi, tetapi juga kurva efisiensinya harus sedatar mungkin, dan semakin kecil kemiringan pengurangan efisiensinya, semakin baik. Ini secara bertahap akan menjadi standar penting seiring dengan semakin matangnya pasar, teknologi, dan standar motor di dalam roda.

4. Dampak konsistensi kinerja

Remanensi yang tidak konsisten: Tidak baik, meskipun ada beberapa remanensi dengan kinerja yang sangat tinggi. Akibat inkonsistensi fluks magnet pada setiap segmen medan magnet searah, torsi menjadi asimetris dan menyebabkan getaran.

Gaya koersif yang tidak konsisten: Khususnya, gaya koersif masing-masing produk terlalu rendah, sehingga rentan terhadap demagnetisasi terbalik, yang mengakibatkan fluks magnet yang tidak konsisten pada setiap baja magnet dan menyebabkan motor bergetar. Efek ini lebih terasa pada motor tanpa sikat.

Pengaruh Bentuk Magnet dan Toleransi terhadap Kinerja Motor

1. Pengaruh ketebalan baja magnetik

Ketika sirkuit magnetik dalam atau luar tetap, ketika ketebalannya meningkat, celah udara berkurang dan fluks magnetik efektif meningkat. Kinerja yang jelas adalah bahwa kecepatan tanpa beban dan arus tanpa beban menurun di bawah magnet sisa yang sama, dan efisiensi maksimum motor berkurang. Namun, ada juga aspek negatif, seperti peningkatan getaran komutasi motor dan kurva efisiensi motor yang relatif lebih curam. Oleh karena itu, ketebalan magnet motor harus sekonsisten mungkin untuk mengurangi getaran.

2. Pengaruh lebar baja magnetik

Untuk magnet motor brushless yang rapat, celah kumulatif total tidak boleh melebihi 0.5 mm. Jika terlalu kecil, celah tersebut tidak dapat dipasang. Jika terlalu besar, akan menyebabkan getaran motor dan mengurangi efisiensi. Hal ini disebabkan oleh posisi dan sifat magnetnya. Posisi baja yang sebenarnya tidak sesuai, dan konsistensi lebarnya harus dipastikan, jika tidak, motor akan memiliki efisiensi rendah dan getaran yang besar.

Pada motor sikat, terdapat celah tertentu di antara magnet, yang diperuntukkan bagi zona transisi komutasi mekanis. Meskipun terdapat celah, sebagian besar produsen menerapkan prosedur pemasangan baja magnet yang ketat untuk memastikan keakuratan pemasangan guna memastikan posisi pemasangan magnet motor yang akurat. Jika lebar baja magnet melebihi batas, magnet tidak akan terpasang; jika lebar baja magnet terlalu kecil, posisi baja magnet akan tidak sejajar, getaran motor akan meningkat, dan efisiensi akan menurun.

3. Pengaruh ukuran chamfering baja magnetik dan non-chamfering

Jika sudut tidak dimiringkan, laju perubahan medan magnet di tepi medan magnet motor besar, menyebabkan getaran pulsa motor. Semakin besar sudut miringkan, semakin kecil getarannya. Namun, miringkan umumnya memiliki kehilangan fluks magnet tertentu. Untuk beberapa spesifikasi, ketika miringkan mencapai 0.8, kehilangan fluks magnet adalah 0.5~1.5%. Ketika remanen motor sikat rendah, mengurangi ukuran miringkan dengan tepat bermanfaat untuk mengkompensasi remanen, tetapi getaran pulsa motor meningkat. Secara umum, ketika remanen rendah, toleransi dalam arah panjang dapat diperbesar dengan tepat, yang dapat meningkatkan fluks magnet efektif sampai batas tertentu dan membuat kinerja motor pada dasarnya tidak berubah.

Tindakan pencegahan untuk motor magnet permanen

1. Struktur sirkuit magnetik dan perhitungan desain

Agar dapat memaksimalkan sifat magnetik berbagai material magnet permanen, terutama sifat magnetik magnet permanen tanah jarang yang unggul, dan untuk memproduksi motor magnet permanen yang hemat biaya, metode perhitungan struktur dan desain motor magnet permanen tradisional atau motor eksitasi listrik tidak dapat diterapkan begitu saja. Konsep desain baru harus ditetapkan, dan struktur sirkuit magnetik harus dianalisis ulang serta ditingkatkan. Dengan pesatnya perkembangan teknologi perangkat keras dan perangkat lunak komputer, serta peningkatan berkelanjutan metode desain modern seperti perhitungan numerik medan elektromagnetik, desain optimasi, dan teknologi simulasi, melalui upaya bersama akademisi motor listrik dan kalangan teknik, metode ini telah banyak digunakan dalam teori desain. Kemajuan terobosan telah dicapai dalam metode perhitungan, teknologi struktur, dan teknologi kontrol, dll., dan serangkaian metode analisis dan penelitian serta perangkat lunak analisis dan desain berbantuan komputer yang menggabungkan perhitungan numerik medan elektromagnetik dan solusi analisis sirkuit magnetik ekuivalen telah dibentuk, dan terus ditingkatkan.

2. Masalah kontrol

Motor magnet permanen dapat mempertahankan medan magnetnya tanpa energi eksternal, tetapi juga membuatnya sangat sulit untuk menyesuaikan dan mengendalikan medan magnetnya dari luar. Sulit bagi generator magnet permanen untuk menyesuaikan tegangan output dan faktor daya dari luar dan motor DC magnet permanen tidak dapat lagi mengatur kecepatannya dengan mengubah metode eksitasi. Ini membatasi rentang aplikasi motor magnet permanen. Namun, dengan perkembangan pesat perangkat elektronik daya dan teknologi kontrol seperti MOSFET dan IGBT, sebagian besar motor magnet permanen dapat digunakan tanpa kontrol medan dan hanya dengan kontrol jangkar. Saat merancang, perlu untuk menggabungkan tiga teknologi baru dari bahan magnet permanen tanah jarang, perangkat elektronik daya dan kontrol komputer mikro, sehingga motor magnet permanen dapat berjalan di bawah kondisi kerja baru.

3. Masalah demagnetisasi ireversibel

Bahasa Indonesia: Jika desain atau penggunaan tidak tepat, motor magnet permanen akan berada di bawah aksi reaksi jangkar yang disebabkan oleh arus masuk saat suhu terlalu tinggi (magnet permanen NdFeB) atau terlalu rendah (magnet permanen ferit), atau ketika ada getaran mekanis yang parah. Hal ini dimungkinkan untuk menyebabkan demagnetisasi ireversibel, atau hilangnya magnetisasi, yang akan mengurangi kinerja motor dan bahkan membuatnya tidak dapat digunakan. Oleh karena itu, perlu untuk meneliti dan mengembangkan metode dan perangkat untuk memeriksa stabilitas termal bahan magnet permanen yang cocok untuk produsen motor, dan untuk menganalisis kemampuan anti-demagnetisasi dari berbagai bentuk struktural, sehingga dapat mengambil tindakan yang sesuai untuk memastikan bahwa selama desain dan pembuatan. Motor magnet permanen tidak kehilangan magnetnya.

4. Masalah biaya

Motor magnet permanen ferit, khususnya motor DC magnet permanen mini, telah banyak digunakan karena struktur dan prosesnya yang sederhana, bobot yang lebih ringan, dan biaya total yang umumnya lebih rendah daripada motor eksitasi listrik. Karena magnet permanen tanah jarang masih relatif mahal saat ini, biaya motor magnet permanen tanah jarang umumnya lebih tinggi daripada motor eksitasi listrik, yang perlu dikompensasi dengan kinerja tinggi dan penghematan biaya operasinya. Dalam beberapa kesempatan, seperti motor kumparan suara dari drive disk komputer, kinerja magnet permanen NdFeB ditingkatkan, volume dan massa berkurang secara signifikan, dan total biaya berkurang. Dalam desain, perlu untuk membandingkan kinerja dan harga sesuai dengan kesempatan dan persyaratan penggunaan spesifik untuk memutuskan pilihan, tetapi juga untuk berinovasi dalam proses struktural dan optimasi desain untuk mengurangi biaya.