Bạn có thực sự hiểu về thiết kế của nam châm vĩnh cửu trong động cơ nam châm vĩnh cửu không?

Sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu.
Sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu. Nước tôi là nước đầu tiên trên thế giới phát hiện ra tính chất từ ​​của vật liệu nam châm vĩnh cửu và ứng dụng vào thực tế. Hơn hai nghìn năm trước, nước tôi đã sử dụng tính chất từ ​​của vật liệu nam châm vĩnh cửu để chế tạo la bàn, đóng vai trò to lớn trong lĩnh vực hàng hải, quân sự và các lĩnh vực khác. Nó đã trở thành một trong bốn phát minh vĩ đại của nước tôi thời cổ đại.

Động cơ đầu tiên trên thế giới xuất hiện vào những năm 1820 là động cơ nam châm vĩnh cửu với từ trường kích thích do nam châm vĩnh cửu tạo ra. Tuy nhiên, vật liệu nam châm vĩnh cửu được sử dụng vào thời điểm đó là magnetite tự nhiên (Fe3O4), có mật độ năng lượng từ rất thấp và động cơ làm từ nó cồng kềnh, và sớm được thay thế bằng động cơ kích thích điện.

Với sự phát triển nhanh chóng của các loại động cơ khác nhau và phát minh ra các máy từ hóa hiện tại, con người đã tiến hành nghiên cứu sâu về cơ chế, thành phần và công nghệ sản xuất của vật liệu nam châm vĩnh cửu và đã lần lượt phát hiện ra thép cacbon và thép vonfram (tích năng lượng từ cực đại khoảng 2.7 kJ/m3), thép coban (tích năng lượng từ cực đại khoảng 7.2 kJ/m3) và các vật liệu nam châm vĩnh cửu khác. Đặc biệt, nam châm vĩnh cửu AlNiCo xuất hiện vào những năm 1930 (tích năng lượng từ cực đại có thể đạt tới 85 kJ/m3) và nam châm vĩnh cửu ferit xuất hiện vào những năm 1950 (tích năng lượng từ cực đại hiện có thể đạt tới 40 kJ/m3) có nhiều tính chất từ ​​khác nhau. Với sự cải tiến lớn, nhiều loại động cơ siêu nhỏ và nhỏ đã sử dụng sự kích thích từ vĩnh cửu. Công suất của động cơ nam châm vĩnh cửu nhỏ tới vài miliwatt và lớn tới hàng chục kilowatt. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất quân sự, công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày, sản lượng đã tăng mạnh. Tương ứng, trong giai đoạn này, đã có những đột phá trong lý thuyết thiết kế, phương pháp tính toán, công nghệ từ hóa và sản xuất động cơ nam châm vĩnh cửu, và một bộ phương pháp phân tích và nghiên cứu được biểu diễn bằng sơ đồ làm việc của nam châm vĩnh cửu đã được hình thành. Tuy nhiên, lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu AlNiCo thấp (36-160 kA/m) và mật độ từ dư của nam châm vĩnh cửu ferit không cao (0.2-0.44 T), điều này hạn chế ứng dụng của chúng trong động cơ. Cho đến những năm 1960 và 1980, nam châm vĩnh cửu coban đất hiếm và nam châm vĩnh cửu bo sắt neodymium (cả hai đều được gọi chung là nam châm vĩnh cửu đất hiếm) lần lượt ra đời, với mật độ từ dư cao, lực kháng từ cao, tích năng lượng từ cao và đường cong khử từ tuyến tính. Các tính chất từ ​​tuyệt vời của động cơ nam châm vĩnh cửu đặc biệt phù hợp để sản xuất động cơ điện, do đó sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu đã bước vào một thời kỳ lịch sử mới.

Vật liệu nam châm vĩnh cửu

Nam châm động cơ: Vật liệu nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng trong động cơ bao gồm nam châm thiêu kết và nam châm liên kết, các loại chính là AlNiCo, ferit, samari coban, NdFeB, v.v.
AlNiCo: Vật liệu nam châm vĩnh cửu AlNiCo là vật liệu nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi sớm nhất, quy trình và công nghệ chế tạo tương đối hoàn thiện. Hiện tại, có các nhà máy ở Nhật Bản, Hoa Kỳ, Châu Âu, Nga và Trung Quốc. Trong số các doanh nghiệp sản xuất quy mô lớn, sản lượng nam châm vĩnh cửu Hàng Châu hiện là đầu tiên tại Trung Quốc, với công suất sản xuất hàng năm là 3,000 tấn.

Vật liệu ferrite nam châm vĩnh cửu: Vào những năm 1950, ferrite bắt đầu phát triển mạnh. Đặc biệt là vào những năm 1970, ferrite stronti có hiệu suất tốt hơn về lực cưỡng bức và máy năng lượng từ đã được đưa vào sản xuất với số lượng lớn và ferrite nam châm vĩnh cửu đã nhanh chóng được mở rộng việc sử dụng. Là một vật liệu từ phi kim loại, ferrite không có nhược điểm là dễ bị oxy hóa, nhiệt độ Curie thấp và chi phí cao của vật liệu nam châm vĩnh cửu kim loại, vì vậy nó rất phổ biến.

Vật liệu Samari coban: là vật liệu nam châm vĩnh cửu có tính chất từ ​​tuyệt vời xuất hiện vào giữa những năm 1960 và hiệu suất của nó rất ổn định. Samari coban đặc biệt thích hợp để sản xuất động cơ về mặt tính chất từ, nhưng do giá thành cao nên chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển hàng không, vũ trụ, vũ khí và các động cơ quân sự khác và động cơ hiệu suất cao trong các lĩnh vực công nghệ cao, nơi giá cả không phải là yếu tố chính.

Vật liệu NdFeB: Vật liệu từ NdFeB là hợp kim của neodymium, oxit sắt, v.v., còn được gọi là thép từ. Nó có tích năng lượng từ cực cao và lực kháng từ, đồng thời, ưu điểm về mật độ năng lượng cao khiến vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại và công nghệ điện tử. Có thể giảm kích thước, trọng lượng và độ dày. Vì chứa nhiều neodymium và sắt nên dễ bị gỉ. Thụ động hóa bề mặt là một trong những giải pháp tốt nhất hiện nay.

Mối quan hệ giữa hiệu suất thép từ và hiệu suất động cơ

1. Ảnh hưởng của từ tính dư

Đối với động cơ DC, trong cùng một thông số quấn dây và điều kiện thử nghiệm, từ dư càng cao thì tốc độ không tải càng thấp và dòng điện không tải càng thấp; mô-men xoắn cực đại càng lớn thì hiệu suất tại điểm hiệu suất cao nhất càng cao. Trong thử nghiệm thực tế, mức tốc độ không tải và kích thước của mô-men xoắn cực đại thường được sử dụng để đánh giá tiêu chuẩn từ dư của thép từ.

Đối với cùng các thông số cuộn dây và thông số điện, lý do tại sao độ từ dư càng cao thì tốc độ không tải càng thấp và dòng điện không tải càng thấp, vì động cơ đang chạy tạo ra đủ độ tự cảm ngược ở tốc độ tương đối thấp. Nó tạo ra điện áp khiến tổng đại số của suất điện động được áp dụng cho cuộn dây giảm xuống.

2. Ảnh hưởng của lực cưỡng bức

Trong quá trình vận hành động cơ, luôn có ảnh hưởng của nhiệt độ và sự khử từ ngược. Theo quan điểm thiết kế động cơ, lực kháng từ càng cao thì hướng độ dày của thép từ có thể càng nhỏ, và lực kháng từ càng nhỏ thì hướng độ dày của thép từ càng lớn. Tuy nhiên, sau khi thép từ vượt quá một lực kháng từ nhất định thì vô dụng, vì các thành phần khác của động cơ không thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ đó. Lực kháng từ chỉ cần đáp ứng các yêu cầu, và tiêu chuẩn là đáp ứng các yêu cầu trong các điều kiện thử nghiệm được khuyến nghị, và không cần lãng phí tài nguyên.

3. Hiệu ứng vuông góc

Độ vuông góc chỉ ảnh hưởng đến độ thẳng của đường cong hiệu suất thử nghiệm động cơ. Mặc dù độ thẳng của đường cong hiệu suất động cơ chưa được liệt kê là tiêu chuẩn chỉ số quan trọng, nhưng nó rất quan trọng đối với khoảng cách liên tục của động cơ trong bánh xe trong điều kiện đường tự nhiên. Do các điều kiện đường khác nhau, động cơ không phải lúc nào cũng hoạt động ở điểm hiệu suất tối đa, đây là một trong những lý do tại sao hiệu suất tối đa của một số động cơ không cao và khoảng cách liên tục dài. Một động cơ trong bánh xe tốt không chỉ phải có hiệu suất tối đa cao mà đường cong hiệu suất cũng phải càng phẳng càng tốt và độ dốc của độ giảm hiệu suất càng nhỏ thì càng tốt. Điều này sẽ dần trở thành một tiêu chuẩn quan trọng khi thị trường, công nghệ và tiêu chuẩn của động cơ trong bánh xe ngày càng hoàn thiện.

4. Tác động của tính nhất quán hiệu suất

Độ từ dư không nhất quán: Không tốt, ngay cả khi có những từ dư riêng lẻ có hiệu suất đặc biệt cao. Do từ thông của từng đoạn từ trường đơn hướng không nhất quán nên mô men xoắn không đối xứng và xảy ra rung động.

Lực cưỡng bức không nhất quán: Đặc biệt, lực cưỡng bức của từng sản phẩm quá thấp, dễ bị khử từ ngược, dẫn đến từ thông của từng loại thép từ không nhất quán, khiến động cơ rung. Hiệu ứng này rõ rệt hơn đối với động cơ không chổi than.

Ảnh hưởng của hình dạng nam châm và dung sai đến hiệu suất động cơ

1. Ảnh hưởng của độ dày thép từ

Khi mạch từ bên trong hoặc bên ngoài được cố định, khi độ dày tăng lên, khe hở không khí giảm và từ thông hiệu dụng tăng lên. Hiệu suất rõ ràng là tốc độ không tải và dòng điện không tải giảm dưới cùng một từ tính dư và hiệu suất tối đa của động cơ bị giảm. Tuy nhiên, cũng có những khía cạnh tiêu cực, chẳng hạn như độ rung chuyển mạch của động cơ tăng lên và đường cong hiệu suất của động cơ tương đối dốc hơn. Do đó, độ dày của nam châm động cơ phải nhất quán nhất có thể để giảm độ rung.

2. Ảnh hưởng của chiều rộng thép từ

Đối với nam châm động cơ không chổi than đóng gói chặt chẽ, tổng khoảng cách tích lũy không được vượt quá 0.5 mm. Nếu quá nhỏ, sẽ không thể lắp đặt được. Nếu quá lớn, sẽ dẫn đến rung động cơ và giảm hiệu suất. Điều này là do vị trí và từ tính. Vị trí thực tế của thép không tương ứng và phải đảm bảo tính nhất quán của chiều rộng, nếu không động cơ có hiệu suất thấp và rung động lớn.

Đối với động cơ chổi than, có một khoảng cách nhất định giữa các nam châm, được dành riêng cho vùng chuyển tiếp chuyển mạch cơ học. Mặc dù có một khoảng cách, hầu hết các nhà sản xuất đều có quy trình lắp đặt thép từ nghiêm ngặt để đảm bảo độ chính xác của việc lắp đặt nhằm đảm bảo vị trí lắp đặt chính xác của nam châm động cơ. Nếu chiều rộng của thép từ vượt quá, nó sẽ không được lắp đặt; nếu chiều rộng của thép từ quá nhỏ, vị trí của thép từ sẽ bị lệch, độ rung của động cơ sẽ tăng lên và hiệu suất sẽ giảm.

3. Ảnh hưởng của kích thước vát thép từ và không vát

Nếu góc không vát, tốc độ thay đổi của từ trường tại rìa từ trường của động cơ lớn, gây ra rung động xung của động cơ. Góc vát càng lớn, độ rung càng nhỏ. Tuy nhiên, vát nói chung có một lượng từ thông bị mất nhất định. Đối với một số thông số kỹ thuật, khi vát đạt 0.8, lượng từ thông bị mất là 0.5~1.5%. Khi từ dư của động cơ chổi than thấp, việc giảm kích thước vát thích hợp có lợi để bù từ dư, nhưng độ rung xung của động cơ tăng lên. Nói chung, khi từ dư thấp, dung sai theo hướng chiều dài có thể được mở rộng thích hợp, có thể cải thiện từ thông hiệu dụng ở một mức độ nhất định và làm cho hiệu suất của động cơ về cơ bản không thay đổi.

Các biện pháp phòng ngừa cho động cơ nam châm vĩnh cửu

1. Cấu trúc và tính toán thiết kế mạch từ

Để phát huy hết tính chất từ ​​của nhiều loại vật liệu nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là tính chất từ ​​tuyệt vời của nam châm vĩnh cửu đất hiếm, và để sản xuất động cơ nam châm vĩnh cửu tiết kiệm chi phí, không thể chỉ áp dụng đơn thuần các phương pháp tính toán cấu trúc và thiết kế của động cơ nam châm vĩnh cửu truyền thống hoặc động cơ kích từ điện. Phải thiết lập khái niệm thiết kế mới, phân tích lại và cải tiến cấu trúc mạch từ. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ phần cứng và phần mềm máy tính, cũng như sự cải tiến liên tục của các phương pháp thiết kế hiện đại như tính toán số trường điện từ, thiết kế tối ưu hóa và công nghệ mô phỏng, thông qua nỗ lực chung của giới học thuật về động cơ điện và giới kỹ thuật, nó đã được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết thiết kế. Các phương pháp tính toán, công nghệ kết cấu và công nghệ điều khiển, v.v. đã có những tiến bộ đột phá, đồng thời hình thành một bộ các phương pháp phân tích và nghiên cứu, phần mềm phân tích và thiết kế hỗ trợ máy tính kết hợp tính toán số trường điện từ và giải pháp phân tích mạch từ tương đương, và đang không ngừng được cải tiến.

2. Vấn đề kiểm soát

Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể duy trì từ trường của nó mà không cần năng lượng bên ngoài, nhưng nó cũng làm cho nó cực kỳ khó khăn để điều chỉnh và kiểm soát từ trường của nó từ bên ngoài. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu khó có thể điều chỉnh điện áp đầu ra và hệ số công suất từ ​​bên ngoài và động cơ DC nam châm vĩnh cửu không còn có thể điều chỉnh tốc độ của nó bằng cách thay đổi phương pháp kích thích. Những điều này hạn chế phạm vi ứng dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất và công nghệ điều khiển như MOSFET và IGBT, hầu hết các động cơ nam châm vĩnh cửu có thể được sử dụng mà không cần điều khiển từ trường và chỉ có điều khiển phần ứng. Khi thiết kế, cần kết hợp ba công nghệ mới là vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm, thiết bị điện tử công suất và điều khiển máy vi tính, để động cơ nam châm vĩnh cửu có thể chạy trong điều kiện làm việc mới.

3. Vấn đề khử từ không thể đảo ngược

Nếu thiết kế hoặc sử dụng không đúng cách, động cơ nam châm vĩnh cửu sẽ chịu tác động của phản ứng phần ứng do dòng điện khởi động gây ra khi nhiệt độ quá cao (nam châm vĩnh cửu NdFeB) hoặc quá thấp (nam châm vĩnh cửu ferit), hoặc khi có rung động cơ học nghiêm trọng Có thể gây ra sự khử từ không thể đảo ngược hoặc mất từ ​​​​hóa, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và thậm chí khiến động cơ không sử dụng được. Do đó, cần nghiên cứu và phát triển các phương pháp và thiết bị để kiểm tra độ ổn định nhiệt của vật liệu nam châm vĩnh cửu phù hợp với các nhà sản xuất động cơ và phân tích khả năng chống khử từ của các dạng cấu trúc khác nhau, để có biện pháp tương ứng để đảm bảo rằng trong quá trình thiết kế và sản xuất. Động cơ nam châm vĩnh cửu không bị mất từ ​​​​tính của chúng.

4. Vấn đề chi phí

Động cơ nam châm vĩnh cửu Ferrite, đặc biệt là động cơ DC nam châm vĩnh cửu thu nhỏ, đã được sử dụng rộng rãi do cấu trúc và quy trình đơn giản, trọng lượng nhẹ hơn và tổng chi phí thường thấp hơn động cơ kích từ điện. Vì nam châm vĩnh cửu đất hiếm hiện vẫn còn tương đối đắt nên chi phí của động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm thường cao hơn động cơ kích từ điện, cần được bù đắp bằng hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí vận hành. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như động cơ cuộn dây âm thanh của ổ đĩa máy tính, hiệu suất của nam châm vĩnh cửu NdFeB được cải thiện, thể tích và khối lượng giảm đáng kể và tổng chi phí giảm. Trong thiết kế, cần so sánh hiệu suất và giá cả theo các dịp và yêu cầu sử dụng cụ thể để quyết định lựa chọn, đồng thời đổi mới quy trình cấu trúc và tối ưu hóa thiết kế để giảm chi phí.