By
Permanentmagnetmotoren verlassen sich auf Permanentmagnete, um ihr Magnetfeld zu erzeugen. Sie benötigen weder Erregerspule noch Strom. Diese Motoren sind bekannt für ihre Effizienz und geradliniges Design. Sie gelten als Energiesparmotoren. Permanentmagnetmotoren haben einen langen Entwicklungsprozess durchlaufen, der im Laufe der Jahre große Verbesserungen widerspiegelt.
Entwicklungsprozess
Die Entwicklung des Permanentmagnetmotors ist eng mit der Entwicklung eines Permanentmagnetmaterials verbunden. China war das erste Land, das die magnetischen Eigenschaften dieser Art von Material erkannte und praktisch anwendete. Vor über 2,000 Jahren gelang es, diese Eigenschaften in Kompassanwendungen einzubauen, die unter anderem in der Navigation und in der Militärstrategie von großer Bedeutung sind. Dies gilt als eine der vier großen Erfindungen des alten China.
Der erste Elektromotor der Welt kam in den 1820er Jahren auf den Markt. Dieser Motor ist ein Permanentmagnetmotor. Das Magnetfeld dieser Art von Motor wird durch Permanentmagnete erzeugt. Diese Technologie ist jedoch für einige Zeit verschwunden und wurde erst in den letzten Jahren umfassend weiterentwickelt. Da das damals verwendete Permanentmagnetmaterial natürliches Magnetit war, war seine magnetische Energiedichte besonders gering. Die Motoren, die es zur Herstellung von Motoren verwendet, sind besonders groß. Aufgrund ihrer geringen Praktikabilität wurden Permanentmagnetmotoren langsam durch elektrische Erregermotoren ersetzt. Auch ihre Entwicklung kam eine Zeit lang zum Stillstand. Einige Wissenschaftler glauben jedoch, dass Permanentmagnetmotoren weiterhin erforscht werden müssen. Während andere das Fachgebiet wechseln, sind einige wenige Menschen weiterhin intensiv auf diesem Gebiet tätig.
Während sich alle Arten von Motoren schnell entwickelten und gleichzeitig aktuelle Magnetisierer erfunden wurden, untersuchten Forscher den Mechanismus, die Zusammensetzung und die Herstellungstechnologie von Permanentmagnetmaterialien ausführlich. Als Ergebnis wurden eine Reihe von Permanentmagnetmaterialien entdeckt, wie Kohlenstoffstahl, Wolframstahl und Kobaltstahl. Insbesondere die magnetischen Eigenschaften des in den 1930er Jahren erfundenen AlNiCo-Permanentmagneten und des in den 1950er Jahren erfundenen Ferrit-Permanentmagneten wurden erheblich verbessert, sodass die Permanentmagnet-Erregungsmethode für verschiedene Mikro- und Kleinmotoren weit verbreitet ist. Permanentmagnetmotoren werden häufig in der militärischen, industriellen und landwirtschaftlichen Produktion und im täglichen Leben eingesetzt, wobei die Leistungsabgabe von einigen Milliwatt bis zu mehreren zehn Kilowatt reicht. Daher hat die Produktion von Permanentmagnetmotoren dramatisch zugenommen. Während dieser Zeit wurden auch die Konstruktionstheorie, die Berechnungsmethoden, die Magnetisierung und die Herstellungstechnologie von Permanentmagnetmotoren erheblich verbessert. Während dieser Zeit wurden eine Reihe von Analyse- und Forschungsmethoden entwickelt, darunter die Methode des Permanentmagnet-Arbeitsdiagramms.
Aufgrund der geringen Koerzitivkraft von AlNiCo-Permanentmagneten und der geringen Remanenzdichte von Ferrit-Permanentmagneten war ihr Anwendungsbereich in Motoren jedoch sehr begrenzt. Bis in die 1960er und 1980er Jahre kamen nach und nach eine Reihe von Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien auf den Markt, darunter Seltenerd-Kobalt-Permanentmagnete und Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete. Sie haben eine hohe Remanenzdichte und Koerzitivkraft, ein hohes magnetisches Energieprodukt und hervorragende magnetische Eigenschaften einer linearen Entmagnetisierungskurve, was sie besonders für die Herstellung von Motoren geeignet macht und Permanentmagnetmotoren in eine neue historische Periode führt.
Eigenschaften von Permanentmagnetmotoren
Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Erregermotoren verfügen Permanentmagnetmotoren über:
Der Anwendungsbereich ist sehr umfangreich. Man kann sagen, dass die Luft- und Raumfahrtabteilungen in allen Bereichen die Landesverteidigung, die industrielle und landwirtschaftliche Produktion sowie das Leben der Menschen umfassen. Im Folgenden sind die Hauptmerkmale mehrerer typischer Permanentmagnetmotoren und ihre Hauptanwendungen aufgeführt.
Im Vergleich zu herkömmlichen Generatoren hat der Seltenerd-Permanentmagnetgenerator keine Schleifringe und keine Bürstenvorrichtung. Die Struktur des Permanentmagnet-Synchrongenerators ist einfach und die Ausfallraten sind geringer. Durch den Einsatz von Seltenerd-Permanentmagneten kann die magnetische Dichte des Luftspalts sowie die Motordrehzahl auf den optimalen Wert erhöht werden, um das Leistungs-Masse-Verhältnis zu verbessern. Seltenerd-Permanentmagnetgeneratoren werden in fast allen modernen Generatoren in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Ihre typischen Produkte sind 150 kVA 14-polige 12 U/min ~ 000 U/min und 21 kVA 000 U/min Seltenerd-Kobalt-Permanentmagnet-Synchrongeneratoren, die von der General Electric Company in den USA hergestellt werden.
Permanentmagnetgeneratoren werden auch als Hilfserreger für große Turbinengeneratoren verwendet. Der weltweit größte Hilfserreger mit Seltenerdpermanentmagneten und einer Kapazität von 40 kVA bis 160 kVA wurde in den 200er Jahren erfolgreich für Turbinengeneratoren mit 600 MW bis 1980 MW entwickelt. Seitdem wurde die Zuverlässigkeit des Kraftwerkbetriebs erheblich verbessert. Gegenwärtig werden kleine Generatoren, die von Verbrennungsmotoren für unabhängige Stromquellen angetrieben werden, Permanentmagnetgeneratoren für Fahrzeuge und kleine Permanentmagnet-Windturbinen, die direkt von Windrädern angetrieben werden, schrittweise gefördert.
Anwendungen in verschiedenen Bereichen
3. Der andere neue Bereich ist die Verwendung verschiedener DC-Mikromotoren mit Permanentmagneten aus Seltenerdmetallen zur Unterstützung neuer Drehzahlregelungssysteme mit variabler Frequenz für Klimaanlagen und Kühlschränke. Die bürstenlosen DC-Motoren mit Permanentmagneten aus Seltenerdmetallen sind Instrumente mit unterschiedlichen Leistungen, und die Nachfrage nach solchen Motoren ist ebenfalls groß.
Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien haben große Vorteile in der Luft- und Raumfahrt und sind von großer Bedeutung für die Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie. Seltenerd-Permanentmagnetmotoren werden in einigen Bereichen der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, beispielsweise zur Regelung der Generatorspannung und zum Kurzschlussschutz. Wissenschaftler auf der ganzen Welt sind sich jedoch einig, dass der Seltenerd-Permanentmagnetmotor eine der wesentlichen Richtungen für die Entwicklung der nächsten Generation von Luft- und Raumfahrtmotoren ist.
Technische Schwierigkeiten bei Permanentmagnetmotoren
1.Hoher Preis für Permanentmagnetmaterialien
Die Kosten des Permanentmagnetmaterials machen oft über 50 % aller Materialkosten aus. Permanentmagnetmaterial benötigt Seltenerdressourcen. In den meisten Ländern gelten Seltene Erden als äußerst knappe Mineralressource mit hohen Preisen und geringen Mengen. Die meisten Produkte der Seltenerdmaterialien der Welt werden aus China exportiert.
2. Entmagnetisierungsphänomen
Permanentmagnetmotoren sind unter ungünstigen Bedingungen wie hohen Temperaturen und häufigen mechanischen Vibrationen immer der Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung ausgesetzt. Die Faktoren, die zur Entmagnetisierung beitragen, sind die hohe Betriebstemperatur des Motors, der Anstieg der Umgebungstemperatur und die Ansammlung von Wärme. Sobald dies geschieht, verringert sich die Leistung drastisch und der Motor wird praktisch unbrauchbar. Um die magnetische Verschlechterung während des Arbeitsprozesses zu verringern, besteht eine Möglichkeit darin, eine Reihe hochtemperaturbeständiger und hochmagnetischer NdFeB-Permanentmagnetmaterialien zu erforschen und zu entwickeln, um das Problem von der Wurzel zu lösen; die andere besteht darin, eine Anti-Entmagnetisierungstechnologie zu fördern. Dies kann beispielsweise durch Lasterkennung, Reduzierung der Maximallast, Verbesserung der Wärmeableitungsmaßnahmen und Reduzierung häufiger Starts erreicht werden.
3. Steuerungstechnik
Aufgrund des „Permanentmagnet“-Phänomens im Permanentmagnet-Synchronmotor ist es sehr schwierig, sein Magnetfeld extern anzupassen. Bei den Anwendungen von Permanentmagnet-Synchronmotoren besteht die Steuerungsidee derzeit nicht darin, das Magnetfeld zu steuern, sondern nur die Ankersteuerung. Der Permanentmagnet-Synchronmotor wird durch elektronische Geräte in Abstimmung mit der Mikrocomputersteuerung gesteuert. Erreicht eine verfeinerte Steuerung bei Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung.
Neben den oben diskutierten Problemen gibt es noch einige weitere kritische technische Schwierigkeiten in Permanentmagnet-Synchronmotoren die weiterer Aufmerksamkeit und Innovation bedürfen. Zu diesen Schwierigkeiten gehören die Anfälligkeit für Stromausfälle, die Unfähigkeit, sehr hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, und ein problematischer Motorstart. Die Lösung dieser Probleme ist wichtig, um das volle Potenzial von PMSMs auszuschöpfen und ihren Nutzen in verschiedenen Anwendungen zu maximieren.
Die Anfälligkeit gegenüber Stromausfällen ist eines der größten technischen Probleme von PMSMs. Während Induktionsmotoren normalerweise auch ohne Stromzufuhr weiterlaufen, benötigen PMSMs zur Magnetfelderregung immer eine externe Stromquelle. Bei einem Stromausfall stellen PMSMs möglicherweise einfach ihren Betrieb ein und stören so kritische Prozesse und Systeme.
Einige der Methoden, mit denen die Auswirkungen von Stromausfällen auf die Funktion von PMSMs reduziert werden können, sind Energiespeichersysteme und Notstromversorgungen. Durch die Integration einer Batterie oder eines Kondensators in das PMSM-System kann die Stromversorgung im Falle eines Stromausfalls für einige Zeit aufrechterhalten werden, wodurch der weitere Betrieb sichergestellt und die Stillstandszeit verkürzt wird. Darüber hinaus verbessert die Härtung der Leistungselektronik und der Steueralgorithmen die Robustheit von PMSMs gegenüber Stromschwankungen und -unterbrechungen.
Eine weitere technische Herausforderung bei PMSMs ist ihre inhärente Beschränkung bei hohen Drehzahlen. PMSMs haben zwar einige positive Eigenschaften, wie hohe Drehmomentdichte und Effizienz, sind jedoch aufgrund von Faktoren wie Rotorträgheit und Zentrifugalkräften möglicherweise nicht für den Betrieb bei ultrahohen Drehzahlen geeignet. Diese Beschränkung schränkt Anwendungen ein, die schnelle Beschleunigung und Verzögerung oder Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordern.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, werden innovative Rotordesigns, fortschrittliche Materialien und innovative Kühltechniken in Betracht gezogen, um die Geschwindigkeitsfähigkeiten von PMSMs zu verbessern. Durch eine optimierte Rotorkonstruktion und eine Reduzierung der Rotationsträgheit können Ingenieure die Reaktionsfähigkeit und Leistung bei erhöhten Geschwindigkeiten weiter verbessern. Darüber hinaus können durch die Weiterentwicklung magnetischer Materialien und Wärmemanagementsysteme Überhitzung und mechanische Belastungen im Hochgeschwindigkeitsbetrieb reduziert werden.
Eine weitere technische Herausforderung bei PMSMs betrifft den Startvorgang. Bei Anwendungen, die eine präzise Steuerung und Synchronisierung erfordern, gibt es beim Start eine weitere technische Herausforderung für PMSMs. Anders als der Induktionsmotor, der nach Anschluss an eine Stromquelle von selbst startet, benötigt PMSM einige externe Steuersignale von außen, um die Rotation zu starten. Dies erhöht die Systemkomplexität, insbesondere während des Startvorgangs des Motorbetriebs.
Um diese Herausforderung zu meistern, erforschen Forscher innovative Steuerungsstrategien und sensorlose Motorstarttechniken für PMSMs. Durch die Implementierung fortschrittlicher Algorithmen und Sensortechnologien können Ingenieure robuste und zuverlässige Startverfahren entwickeln, die die Abhängigkeit von externen Steuersignalen minimieren. Darüber hinaus können Fortschritte in der Motorkonstruktion und -konstruktion die Effizienz und Effektivität von Motorstartsequenzen verbessern, Abläufe rationalisieren und die Gesamtsystemleistung verbessern.
Wir sind davon überzeugt, dass sich trotz dieser technischen Herausforderungen Verbesserungen in der Permanentmagnetmotortechnologie durchsetzen werden. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der Forscher und Ingenieure innovative Ideen vorschlagen und testen, sind bei der Überwindung bestimmter technischer Hauptherausforderungen und der Eröffnung neuer Perspektiven für PMSM-Anwendungen in verschiedenen Branchen bemerkenswerte Erfolge zu erwarten.
Wenn die Probleme der Anfälligkeit für Stromausfälle, der Einschränkungen beim Erreichen hoher Geschwindigkeiten und des problematischen Anlaufens des Motorbetriebs gelöst wären, würden PMSMs das Leben der Menschen und die Produktion noch komfortabler und effizienter machen. Aufgrund dieser Zusammenarbeit und kontinuierlicher Forschung können wir leicht vorhersagen, dass PMSM-Motoren in Kürze eine große Rolle bei der Antriebstechnik und in der Industrie spielen werden.
