Onde está a direção futura de desenvolvimento do motor síncrono permanente do ímã?

Onde está a direção futura de desenvolvimento do motor síncrono permanente do ímã? Análise da tendência atual de tecnologia e desenvolvimento

O desenvolvimento de materiais de ímã permanente de terras raras na década de 1970 levou ao surgimento de motores de ímãs permanentes de terras raras. Esses motores utilizam ímãs de terras raras para excitação, que geram um campo magnético permanente quando magnetizado. Com o desempenho superior da excitação, eles superam motores convencionais excitados eletricamente em estabilidade, qualidade e redução de perdas, reformulando assim o mercado motor tradicional.

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia modernas, o desempenho e o processo de materiais eletromagnéticos, especialmente os materiais eletromagnéticos de terras raras, foram gradualmente melhoradas, juntamente com o rápido desenvolvimento de eletrônicos de energia e tecnologia de transmissão de energia, tecnologia de controle automático, o desempenho do motor síncrono de ímã permanente está ficando melhor e melhor.

Além disso, o motor síncrono permanente do ímã tem as vantagens de peso leve, estrutura simples, tamanho pequeno, boas características e alta densidade de potência. Muitas instituições e empresas de pesquisa científica estão realizando ativamente a pesquisa e o desenvolvimento do motor síncrono de ímã permanente, e seu campo de aplicação será expandido ainda mais.

Status de desenvolvimento e pesquisa

1. A base de desenvolvimento do motor síncrono de ímã permanente

① Aplicação de materiais de ímã permanente de terras raras de alto desempenho

Os materiais de ímã permanente de terras raras evoluíram através de três estágios de desenvolvimento: SMCO5, SM2CO17 e ND2FE14B. Hoje, os ímãs de boro de ferro de neodímio (NDFEB) se destacam como o tipo mais usado devido ao seu desempenho magnético superior. O avanço dos ímãs permanentes impulsionou um progresso significativo em motores de ímã permanente. Ao contrário dos motores tradicionais de indução tripalmente excitada eletricamente, esses motores eliminam a necessidade de pólos eletricamente excitados, simplificam o projeto estrutural e eliminam os anéis e escovas de deslizamento do rotor. Essa inovação permite a operação sem escova, reduz o tamanho do rotor, aprimora a densidade de potência e a densidade de torque, melhora a eficiência energética e permite que os motores sejam mais compactos e leves. Esses avanços expandiram seu escopo de aplicação e aceleraram o desenvolvimento de motores elétricos de maior potência.

② Aplicação da nova teoria de controle

Nos últimos anos, os algoritmos de controle tiveram um rápido desenvolvimento. Entre eles, os algoritmos de controle de vetores resolveram fundamentalmente os problemas de estratégia de acionamento para motores CA, permitindo que eles obtenham excelente desempenho de controle. O surgimento de controle direto de torque simplificou a estrutura de controle, demonstrando forte adaptabilidade às variações de parâmetros e resposta rápida de torque dinâmico. A tecnologia de controle de torque indireta aborda a questão da pulsação significativa de torque em baixas velocidades no controle direto de torque, aumentando assim a velocidade do motor e a precisão do controle.

③ Aplicações de eletrônicos e processadores de alto desempenho

A eletrônica de energia moderna serve como uma interface vital entre a indústria da informação e os setores tradicionais, atuando como uma ponte entre sistemas de baixa tensão e aplicações controladas de alta tensão. O avanço da eletrônica de energia permitiu a implementação de estratégias de controle de acionamento. Por exemplo, a década de 1970 testemunhou o surgimento de conversores de frequência universal que poderiam transformar fontes de alimentação de frequência industrial em fontes de energia de frequência continuamente ajustáveis, criando assim condições para a conversão de frequência CA e a regulação da velocidade. Esses conversores de frequência apresentam recursos de partida suave após a configuração de frequência, permitindo a aceleração gradual de zero para a frequência alvo a uma taxa predeterminada. A taxa de aceleração pode ser ajustada continuamente em uma ampla faixa, resolvendo efetivamente os desafios de inicialização dos motores síncronos.

2. Status de desenvolvimento do motor síncrono de ímã permanente em casa e no exterior

O primeiro motor na história foi o motor de ímã permanente. Naquela época, o desempenho de materiais de ímã permanente era relativamente ruim, e a coercividade e a remanência dos ímãs permanentes eram muito baixas, então logo foi substituído pelo motor eletricamente excitado.

Na década de 1970, materiais ímãs permanentes de terras raras, como o boro de ferro de neodímio (NDFEB), ganharam destaque devido à sua excepcional coercividade, remanência, forte capacidade de desmagnetização e produto de alta energia magnética. Essas propriedades impulsionaram motores síncronos permanentes de ímã permanente de alta potência para o estágio histórico. Hoje, a pesquisa sobre motores síncronos de ímã permanente amadureceu significativamente, avançando em direção a velocidades mais altas, maior torque, maior produção de energia, eficiência aprimorada, bem como miniaturização e desenvolvimento inteligente.

Nos últimos anos, surgiram motores síncronos de ímã permanente de ponta no setor. Um exemplo notável é o motor de 230r/min/1095kW de seis fases desenvolvido pelos Siemens da Alemanha em 1986. Quando usados para alimentar os navios navais, esse design avançado reduz o tamanho do motor em quase 60% em comparação com os motores CC tradicionais, enquanto corta as perdas de energia em aproximadamente 20%. Além disso, a empresa suíça ABB construiu motores síncronos de ímã permanente para propulsão de navios com uma capacidade máxima instalada de 38MW.

A pesquisa sobre o Magnet Motor permanente começou no final da China, mas com o forte investimento de estudiosos domésticos e do governo, se desenvolveu rapidamente. Atualmente, a China desenvolveu e produziu um gerador de vento de ímã permanente de alta velocidade de 3MW, e a CRRC Zhuzhou Company também está desenvolvendo um motor de ímã permanente mais poderoso.

Com o desenvolvimento da tecnologia de microcomputadores e da tecnologia de controle automático, os motores síncronos de ímã permanente têm sido amplamente utilizados em vários campos. Agora, devido ao progresso social, os requisitos das pessoas para motores síncronos de ímã permanente tornaram -se mais exigentes, levando o desenvolvimento de motores de ímã permanente a ter uma faixa de regulação de velocidade maior e maior controle de precisão.

Devido à melhoria da tecnologia de produção, os materiais de ímã permanente de alto desempenho foram desenvolvidos. Isso torna seu custo bastante reduzido e gradualmente aplicado em vários campos da vida.

 Tecnologia atual

1. Tecnologia permanente de design de design de motor síncrono permanente

Comparado aos motores convencionais excitados eletricamente, os motores síncronos permanentes do ímã eliminam a necessidade de enrolamentos de excitação, anéis de coletores e armários de excitação. Esse projeto não apenas aumenta significativamente a estabilidade e a confiabilidade, mas também alcança melhorias substanciais de eficiência. Em particular, motores de ímã permanentes embutidos demonstram vantagens, como alta eficiência, fator de potência superior, alta densidade de potência por unidade, forte capacidade de aceleração de velocidade de baixa tensão e resposta dinâmica rápida, tornando-as escolhas ideais para aplicações de acionamento. No entanto, os ímãs permanentes fornecem todo o campo magnético de excitação, o que aumenta o torque de engrenagem e, consequentemente, causa vibração e ruído do motor durante a operação. O torque excessivo de engrenagem pode comprometer o desempenho de baixa velocidade dos sistemas de controle de velocidade e os recursos de posicionamento de alta precisão dos sistemas de controle de posição. Portanto, o projeto do motor deve priorizar a otimização dos componentes para minimizar o torque de engrenagem.

A pesquisa indica que os métodos comuns para reduzir o torque do slot dentário incluem a modificação dos coeficientes de arco de arco, reduzindo a largura do slot do estator, implementando slots inclinados e coordenação de slot, além de ajustar as posições, dimensões e formas dos polos magnéticos. No entanto, é importante observar que essas medidas podem afetar adversamente outras características do desempenho motor, como o torque eletromagnético potencialmente diminuindo. Portanto, durante o projeto, os engenheiros devem se esforçar para equilibrar todos os fatores para obter o melhor desempenho motor.

2.Tecnologia de simulação de motor síncrono de ímã permanente

A presença de ímãs permanentes em motores de ímã permanente apresenta desafios para os designers ao calcular parâmetros como permeabilidade ao vazamento de não carga e coeficiente de arco do polo. O software de análise de elementos finitos é comumente empregado para otimizar esses parâmetros do motor. Este software permite cálculos de parâmetros altamente precisos e sua aplicação na análise de como os parâmetros do motor afetam o desempenho, produz resultados confiáveis.

Os métodos de computação de elementos finitos fornecem uma abordagem mais conveniente, eficiente e precisa para analisar campos eletromagnéticos em motores. Como um método numérico desenvolvido a partir do método de diferença finita, ele tem sido amplamente adotado entre as disciplinas científicas e de engenharia. O processo envolve os domínios de solução contínua matematicamente discreta em elementos discretos, seguidos por interpolação por partes dentro de cada elemento para formar funções de interpolação linear (ou seja, funções de aproximação). Através da análise de simulação de elementos finitos, podemos observar visualmente os padrões de linha de fluxo magnético e a distribuição da densidade de fluxo nos interiores motores.

3. Tecnologia permanente de controle de controle de motor síncrono permanente

O melhoramento do desempenho do sistema de acionamento de motor é igualmente crucial para o desenvolvimento do controle industrial. Essa tecnologia otimiza o desempenho do sistema por meio de suas características fundamentais: proporcionando alto torque durante aceleração rápida e aceleração estacionária em condições de baixa velocidade, enquanto permite a regulação de velocidade de potência constante de amplo alcance em altas velocidades. A Tabela 1 fornece uma comparação das principais métricas de desempenho do motor.

Motores de ímã permanentes demonstram confiabilidade excepcional, ampla faixa de regulação de velocidade e alta eficiência. Quando emparelhado com os métodos de controle apropriados, todo o sistema motor pode obter desempenho ideal. Portanto, a seleção de algoritmos de controle adequados para regulação de velocidade eficiente permite que o sistema de acionamento do motor opere efetivamente em uma ampla faixa de velocidade e zonas de energia constante. Os métodos de controle de vetores são amplamente adotados em algoritmos permanentes de regulação da velocidade do motor ímã devido a suas vantagens, incluindo extensa faixa de controle de velocidade, alta eficiência, confiabilidade, estabilidade e custo-efetividade. Esses métodos são amplamente utilizados em acionamentos de motor, sistemas de trânsito ferroviário e aplicações de servo -metralhadoras. Diferentes cenários de aplicação requerem estratégias de controle vetorial correspondentes.

Recursos e classificações

1.Características do motor síncrono de ímã permanente

Os motores síncronos permanentes do ímã apresentam uma estrutura simples, baixa perda de energia e alto fator de potência. Ao contrário de motores eletricamente excitados que requerem pincéis e comutadores, eles eliminam a necessidade de correntes de excitação reativas. Esse design reduz as perdas de corrente e resistência do estator, resultando em maior eficiência, maior torque de excitação e desempenho de controle superior. No entanto, eles enfrentam desafios como altos custos e mecanismos de partida difíceis. Com avanços nas tecnologias de controle motor-particularmente sistemas de controle de vetores-os motores síncronos de ímã permanentes agora permitem regulação de velocidade de ampla gama, resposta dinâmica rápida e controle de posicionamento de alta precisão. Esses recursos estão impulsionando os esforços de pesquisa aumentados em vários campos.

2. Classificação de motores síncronos de ímã permanente

① De acordo com a diferente divisão do rotor, formação de formas de onda de campo magnético

Devido às diferentes formas dos ímãs do rotor em motores síncronos de ímã permanente, as formas de onda formadas pela distribuição espacial do campo magnético do rotor também variam. Convencionalmente, eles são divididos em dois tipos: sistemas de controle de velocidade do motor síncrono permanente sinusoidal (onde o rotor gera uma força eletromotiva sinusoidal traseira no estator) e motores DC sem escova (BLDCM), onde o rotor produz uma força eletromotiva trapezoidal trapezoidal no estator.

② De acordo com a estrutura espacial diferente dos ímãs permanentes no rotor

Os motores síncronos de ímã permanente são classificados em tipos de superfície e embutidos com base no arranjo espacial de ímãs permanentes no rotor. Os modelos montados na superfície apresentam ímãs em forma de azulejos que aderem firmemente à superfície externa do núcleo do rotor. Uma característica essencial desses motores é que os valores de indutância para o eixo direto e as configurações de eixo alternado permanecem idênticas.

Em motores de ímã permanentes embutidos, os ímãs permanentes estão alojados dentro do núcleo do rotor. Entre a superfície externa desses ímãs e a circunferência interna do núcleo do estator, existem sapatos de pólo feitos de material ferromagnético. Esses sapatos de pólo servem para concentrar o fluxo magnético, aumentando assim a densidade magnética do espaço de ar e melhorando a forma de onda do campo magnético de espaço de ar sem carga. Uma característica essencial desse tipo de motor de ímã permanente é sua configuração assimétrica entre os circuitos magnéticos do eixo direto e o eixo alternado.

O desempenho desses dois motores é diferente. Comparado com o motor de ímã permanente da superfície, o motor de ímã permanente embutido tem as vantagens da capacidade de expansão de velocidade magnética fraca, resposta dinâmica rápida e pequeno torque de engrenagem.

Tendência de desenvolvimento de motor síncrono de ímã permanente

1. Motor DC de escova de ímã permanente (BLDCM)

Desde a década de 1980, as tecnologias de controle - particularmente controlam estratégias da teoria - viram um rápido desenvolvimento. Abordagens avançadas, como controle do modo deslizante e controle de estrutura variável, agora estão sendo integradas aos controladores para motores sem escova de ímã permanente. Esse avanço abriu o caminho para os sistemas de alto desempenho evoluirem para soluções inteligentes, flexíveis e totalmente digitalizadas. À medida que os padrões de vida continuam aumentando e a conscientização sobre proteção ambiental aumenta, a adoção de sistemas motores de alto desempenho tornou-se uma tendência inevitável na indústria automobilística. Espera -se também que esses sistemas vejam aplicações mais amplas em pequenos setores motores, como veículos elétricos e eletrodomésticos nos próximos anos.

2. Tendência de desenvolvimento do PMSM

O sistema servo PMSM se desenvolverá em duas direções devido ao seu próprio campo de tecnologia e aplicativo:

① Sistemas de servo simples e de baixo custo nos campos de equipamentos de automação de escritórios, ferramentas de máquinas CNC simples, equipamentos periféricos de computador, eletrodomésticos e controle de movimento industrial com requisitos de baixo desempenho;

② Máquina de alta precisão de alta precisão, robôs, robôs, unidade de alimentação de precisão para equipamentos de processamento especial, bem como sistemas de servo de alta eficiência, totalmente digital, inteligente e flexível para aviação e aeroespacial. Este último pode refletir melhor as vantagens dos sistemas servo e será a principal direção do desenvolvimento futuro.

Classificação de métodos de design para motores síncronos permanentes de ímãs

1. Método do Circuito Magnético:
O campo magnético alternado não uniforme em um motor pode ser modelado equivalentemente como um circuito magnético correspondente, transformando cálculos de campo magnético em cálculos de circuito magnético. No entanto, como o cálculo do circuito magnético equivalente emprega numerosos coeficientes de correção, seus valores exatos não podem ser teoricamente determinados. Portanto, os dados empíricos geralmente são usados. Se o projeto preliminar não atender aos requisitos, os designers deverão recalibrar os valores de correção e recalcular os resultados.

2. Método do elemento finito:
Para garantir cálculos precisos, a análise do campo eletromagnético é essencial, incluindo fatores como configuração permanente do pólo de ímã e desmagnetização local. A utilização do software de análise de elementos finitos para computação numérica reduziu significativamente os custos de desenvolvimento do produto, fornecendo dados precisos para otimização do motor. Os avanços no poder de computação permitiram a evolução de vários métodos analíticos na computação numérica do campo eletromagnético. O método do elemento finito transforma essencialmente problemas em sistemas estruturalmente solucionáveis, idealizando sistemas contínuos com graus infinitos de liberdade em conjuntos finitos de células unitárias. Atualmente, o ANSYS é o software de simulação de elementos finitos mais utilizado, capaz de realizar simulações juntas abrangentes para sistemas motores inteiros.

3. Método de combinação de estradas de campo:

Embora o método do circuito magnético ofereça uma rápida velocidade de computação, ele não tem precisão. Embora os métodos baseados em computador forneçam alta precisão, eles são intensivos computacionalmente e exigem hardware avançado. Ao integrar a análise dos elementos finitos com as técnicas tradicionais de circuito magnético em cálculos numéricos motorizados eletromagnéticos, podemos melhorar a eficiência computacional e a precisão - uma abordagem prática com valor significativo para o design dos parâmetros do motor. A metodologia de integração do circuito de campo segue um processo de três etapas: primeiro, os modelos geométricos são estabelecidos preliminarmente usando cálculos de circuito magnético. Posteriormente, a análise de elementos finitos é aplicada para determinar com precisão os coeficientes que requerem correção no método equivalente do circuito magnético.