Con lo sviluppo di materiali magnetici permanenti a base di terre rare negli anni '70, nacquero i motori a magneti permanenti a base di terre rare. I motori a magneti permanenti utilizzano magneti permanenti a base di terre rare per l'eccitazione e, una volta magnetizzati, possono generare campi magnetici permanenti. Le loro prestazioni di eccitazione sono eccellenti e superiori ai motori a eccitazione elettrica in termini di stabilità, qualità e riduzione delle perdite, il che ha scosso il mercato dei motori tradizionali.

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne, le prestazioni e la tecnologia dei materiali elettromagnetici, in particolare dei materiali elettromagnetici a base di terre rare, sono state gradualmente migliorate. Insieme al rapido sviluppo dell'elettronica di potenza, delle tecnologie di trasmissione di potenza e di controllo automatico, le prestazioni dei motori sincroni a magneti permanenti stanno migliorando sempre di più.

Inoltre, i motori sincroni a magneti permanenti offrono i vantaggi di leggerezza, struttura semplice, dimensioni ridotte, buone caratteristiche e elevata densità di potenza. Molti istituti di ricerca scientifica e aziende stanno attivamente conducendo attività di ricerca e sviluppo sui motori sincroni a magneti permanenti, e i loro campi di applicazione saranno ulteriormente ampliati.

1. Basi di sviluppo del motore sincrono a magnete permanente

a.Applicazione di materiali magnetici permanenti in terre rare ad alte prestazioni

I materiali magnetici permanenti a base di terre rare hanno attraversato tre fasi: SmCo₂, Sm₂Co₂ e Nd₂Fe₂B. Attualmente, i materiali magnetici permanenti a base di terre rare, rappresentati da NdFeB, sono diventati il ​​tipo di materiale più utilizzato grazie alle loro eccellenti proprietà magnetiche. Lo sviluppo di materiali magnetici permanenti ha guidato lo sviluppo di motori a magneti permanenti.

Rispetto al tradizionale motore a induzione trifase con eccitazione elettrica, il magnete permanente sostituisce il polo di eccitazione elettrica, semplifica la struttura, elimina l'anello di contatto e le spazzole del rotore, realizza la struttura brushless e riduce le dimensioni del rotore. Ciò migliora la densità di potenza, la densità di coppia e l'efficienza operativa del motore, rendendolo più piccolo e leggero, ampliandone ulteriormente il campo di applicazione e promuovendo lo sviluppo di motori elettrici con potenze maggiori.

b. Applicazione della nuova teoria del controllo

Negli ultimi anni, gli algoritmi di controllo si sono sviluppati rapidamente. Tra questi, gli algoritmi di controllo vettoriale hanno risolto in linea di principio il problema della strategia di pilotaggio dei motori a corrente alternata (CA), garantendo loro buone prestazioni di controllo. L'avvento del controllo diretto della coppia semplifica la struttura di controllo e offre elevate prestazioni circuitali per le modifiche dei parametri e una rapida risposta dinamica della coppia. La tecnologia di controllo indiretto della coppia risolve il problema delle ampie pulsazioni di coppia della coppia diretta a bassa velocità, migliorando la velocità e la precisione di controllo del motore.

c. Applicazione di dispositivi elettronici di potenza e processori ad alte prestazioni

La moderna tecnologia dell'elettronica di potenza rappresenta un'importante interfaccia tra l'industria dell'informazione e le industrie tradizionali, e un ponte tra la corrente debole e la corrente forte controllata. Lo sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza consente la realizzazione di strategie di controllo degli azionamenti.

Negli anni '70, apparve una serie di inverter multiuso in grado di convertire la potenza a frequenza industriale in potenza a frequenza variabile con regolazione continua della frequenza, creando così le condizioni per la regolazione della velocità a frequenza variabile della potenza CA. Questi inverter sono dotati di una funzione di avviamento graduale dopo l'impostazione della frequenza, e la frequenza può aumentare da zero alla frequenza impostata a una certa velocità, con una regolazione continua della velocità di aumento entro un ampio intervallo, risolvendo il problema di avviamento dei motori sincroni.

2. Stato di sviluppo dei motori sincroni a magnete permanente in patria e all'estero

Il primo motore della storia fu un motore a magneti permanenti. A quel tempo, le prestazioni dei materiali a magneti permanenti erano relativamente scarse e la forza coercitiva e la rimanenza dei magneti permanenti erano troppo basse, quindi furono presto sostituiti da motori a eccitazione elettrica.

Negli anni '70, i materiali magnetici permanenti a base di terre rare, rappresentati da NdFeB, presentavano un'elevata forza coercitiva, rimanenza, una forte capacità di smagnetizzazione e un elevato prodotto di energia magnetica, che hanno fatto apparire sulla scena storica i motori sincroni a magneti permanenti ad alta potenza. Oggi, la ricerca sui motori sincroni a magneti permanenti sta diventando sempre più matura e si sta sviluppando verso alta velocità, elevata coppia, elevata potenza ed elevata efficienza.

Negli ultimi anni, grazie ai consistenti investimenti di ricercatori nazionali e del governo, i motori sincroni a magneti permanenti si sono sviluppati rapidamente. Con lo sviluppo della tecnologia dei microcomputer e dei controlli automatici, i motori sincroni a magneti permanenti sono stati ampiamente utilizzati in vari campi. Grazie al progresso della società, i requisiti per i motori sincroni a magneti permanenti sono diventati più stringenti, spingendo i motori a magneti permanenti a evolversi verso un intervallo di regolazione della velocità più ampio e un controllo più preciso. Grazie al miglioramento degli attuali processi produttivi, i materiali a magneti permanenti ad alte prestazioni sono stati ulteriormente sviluppati. Ciò ne ha ridotto notevolmente i costi e ne ha gradualmente ampliato l'applicazione in vari settori della vita.

3. Tecnologia attuale

a. Tecnologia di progettazione del motore sincrono a magnete permanente

Rispetto ai normali motori ad eccitazione elettrica, i motori sincroni a magneti permanenti non hanno avvolgimenti di eccitazione elettrica, anelli collettori e armadi di eccitazione, il che migliora notevolmente non solo la stabilità e l'affidabilità, ma anche l'efficienza.

Tra questi, i motori a magneti permanenti integrati presentano i vantaggi di elevata efficienza, elevato fattore di potenza, elevata densità di potenza unitaria, forte capacità di espansione della velocità magnetica debole e rapida velocità di risposta dinamica, rendendoli una scelta ideale per l'azionamento dei motori.

I magneti permanenti forniscono l'intero campo magnetico di eccitazione dei motori a magneti permanenti e la coppia di cogging aumenta le vibrazioni e la rumorosità del motore durante il funzionamento. Una coppia di cogging eccessiva compromette le prestazioni a bassa velocità del sistema di controllo della velocità del motore e l'elevata precisione di posizionamento del sistema di controllo della posizione. Pertanto, in fase di progettazione del motore, la coppia di cogging deve essere ridotta il più possibile ottimizzandola.

Secondo la ricerca, i metodi generali per ridurre la coppia di cogging includono la modifica del coefficiente di arco polare, la riduzione della larghezza della cava dello statore, l'adattamento della cava obliqua e della cava polare, la modifica della posizione, delle dimensioni e della forma del polo magnetico, ecc. Tuttavia, è opportuno notare che la riduzione della coppia di cogging può influire su altre prestazioni del motore, ad esempio la coppia elettromagnetica. Pertanto, in fase di progettazione, è necessario bilanciare il più possibile diversi fattori per ottenere le migliori prestazioni del motore.

b. Tecnologia di simulazione del motore sincrono a magnete permanente

La presenza di magneti permanenti nei motori a magneti permanenti rende difficile per i progettisti calcolare parametri come la progettazione del coefficiente di flusso di dispersione a vuoto e del coefficiente di arco polare. Generalmente, per calcolare e ottimizzare i parametri dei motori a magneti permanenti viene utilizzato un software di analisi agli elementi finiti. Il software di analisi agli elementi finiti è in grado di calcolare i parametri del motore con estrema precisione ed è molto affidabile per analizzarne l'impatto sulle prestazioni.

Il metodo di calcolo agli elementi finiti semplifica, velocizza e rende più accurato il calcolo e l'analisi del campo elettromagnetico dei motori. Si tratta di un metodo numerico sviluppato sulla base del metodo delle differenze ed è stato ampiamente utilizzato in ambito scientifico e ingegneristico. Si utilizzano metodi matematici per discretizzare alcuni domini di soluzione continua in gruppi di unità, per poi interpolare in ciascuna unità. In questo modo, si forma una funzione di interpolazione lineare, ovvero una funzione approssimata viene simulata e analizzata utilizzando elementi finiti, che consente di osservare intuitivamente la direzione delle linee del campo magnetico e la distribuzione della densità di flusso magnetico all'interno del motore.

c. Tecnologia di controllo del motore sincrono a magnete permanente

Il miglioramento delle prestazioni dei sistemi di azionamento motore è di grande importanza anche per lo sviluppo del settore del controllo industriale. Ciò consente di azionare il sistema al massimo delle prestazioni. Le sue caratteristiche principali si riflettono nella bassa velocità, soprattutto in caso di avviamento rapido, accelerazione statica, ecc., e nella capacità di generare una coppia elevata; inoltre, ad alta velocità, è possibile ottenere un controllo della velocità a potenza costante in un ampio intervallo. La Tabella 1 confronta le prestazioni di diversi motori principali.

Come si può osservare dalla Tabella 1, i motori a magneti permanenti offrono un'elevata affidabilità, un ampio intervallo di velocità e un'elevata efficienza. Se combinati con il metodo di controllo appropriato, l'intero sistema motore può raggiungere le migliori prestazioni. Pertanto, è necessario selezionare un algoritmo di controllo adeguato per ottenere una regolazione efficiente della velocità, in modo che il sistema di azionamento del motore possa operare in un intervallo di regolazione della velocità relativamente ampio e a potenza costante.

Il metodo di controllo vettoriale è ampiamente utilizzato nell'algoritmo di controllo della velocità dei motori a magneti permanenti. Offre i vantaggi di un ampio intervallo di regolazione della velocità, elevata efficienza, elevata affidabilità, buona stabilità e buoni vantaggi economici. È ampiamente utilizzato negli azionamenti motore, nel trasporto ferroviario e nei servocomandi per macchine utensili. A causa dei diversi utilizzi, anche l'attuale strategia di controllo vettoriale adottata è diversa.

4. Caratteristiche del motore sincrono a magneti permanenti

Il motore sincrono a magneti permanenti ha una struttura semplice, basse perdite e un elevato fattore di potenza. Rispetto al motore a eccitazione elettrica, l'assenza di spazzole, commutatori e altri dispositivi non richiede corrente di eccitazione reattiva, quindi la corrente statorica e le perdite per resistenza sono minori, l'efficienza è maggiore, la coppia di eccitazione è maggiore e le prestazioni di controllo sono migliori. Tuttavia, presenta svantaggi come costi elevati e difficoltà di avviamento. Grazie all'applicazione della tecnologia di controllo nei motori, in particolare dei sistemi di controllo vettoriale, i motori sincroni a magneti permanenti possono raggiungere un'ampia gamma di regolazione della velocità, una rapida risposta dinamica e un controllo di posizionamento ad alta precisione, pertanto i motori sincroni a magneti permanenti attireranno sempre più persone a condurre ricerche approfondite.

5. Caratteristiche tecniche del motore sincrono a magneti permanenti Anhui Mingteng

a. Il motore ha un elevato fattore di potenza e un elevato fattore di qualità della rete elettrica. Non è richiesto alcun compensatore del fattore di potenza e la capacità delle apparecchiature della sottostazione può essere pienamente sfruttata;

b. Il motore a magneti permanenti è eccitato da magneti permanenti e funziona in modo sincrono. Non vi sono pulsazioni di velocità e la resistenza della tubazione non aumenta durante l'azionamento di ventilatori e pompe;

c. Il motore a magnete permanente può essere progettato con un'elevata coppia di avviamento (più di 3 volte) e un'elevata capacità di sovraccarico, se necessario, risolvendo così il fenomeno del "grande cavallo che tira un piccolo carro";

d. La corrente reattiva di un normale motore asincrono è generalmente circa 0,5-0,7 volte la corrente nominale. Il motore sincrono a magneti permanenti Mingteng non necessita di corrente di eccitazione. La corrente reattiva del motore a magneti permanenti e del motore asincrono differisce di circa il 50% e la corrente di esercizio effettiva è inferiore di circa il 15% rispetto a quella del motore asincrono;

e. Il motore può essere progettato per avviarsi direttamente e le dimensioni di installazione esterne sono le stesse di quelle dei motori asincroni attualmente ampiamente utilizzati, che possono sostituire completamente i motori asincroni;

f. L'aggiunta di un driver può ottenere un avvio e un arresto graduali e una regolazione continua della velocità, con una buona risposta dinamica e un ulteriore miglioramento dell'effetto di risparmio energetico;

g. Il motore presenta numerose strutture topologiche, che soddisfano direttamente i requisiti fondamentali delle apparecchiature meccaniche in un'ampia gamma e in condizioni estreme;

h. Per migliorare l'efficienza del sistema, accorciare la catena di trasmissione e ridurre i costi di manutenzione, è possibile progettare e realizzare motori sincroni a magneti permanenti a trasmissione diretta ad alta e bassa velocità per soddisfare i requisiti più elevati degli utenti.

Anhui Mingteng Permanent-Magnetic Machinery&Electrical Equipment Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) è stata fondata nel 2007. È un'azienda high-tech specializzata nella ricerca e sviluppo, produzione e vendita di motori sincroni a magneti permanenti ad altissima efficienza. L'azienda utilizza la moderna teoria di progettazione dei motori, software di progettazione professionale e un programma di progettazione di motori a magneti permanenti sviluppato internamente per simulare il campo elettromagnetico, il campo dei fluidi, il campo di temperatura, il campo di stress, ecc. del motore a magneti permanenti, ottimizzare la struttura del circuito magnetico, migliorare il livello di efficienza energetica del motore e garantire fondamentalmente l'affidabilità del motore a magneti permanenti.

Copyright: Questo articolo è una ristampa del numero pubblico WeChat “Motor Alliance”, il link originalehttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

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