Lịch sử phát triển của động cơ 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. Trung Quốc là quốc gia sớm nhất trên thế giới khám phá ra đặc tính từ tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu và áp dụng nó vào thực tiễn. Hơn 2,000 năm trước, Trung Quốc đã sử dụng đặc tính từ tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu để chế tạo la bàn. Vai trò này đã trở thành một trong bốn phát minh lớn của Trung Quốc cổ đại.
Động cơ đầu tiên trên thế giới vào những năm 1920 là động cơ nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường bằng nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, vật liệu nam châm vĩnh cửu được sử dụng lúc bấy giờ là quặng nam châm tự nhiên (Fe3O4). Mật độ năng lượng từ tính rất thấp. Động cơ được làm từ nó có kích thước lớn và nhanh chóng được thay thế bằng động cơ kích thích.
Với nhu cầu phát triển nhanh chóng của các loại động cơ và phát minh ra bộ sạc từ tính hiện tại, người ta đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế, thành phần và công nghệ chế tạo vật liệu nam châm vĩnh cửu và đã được phát hiện bằng thép cacbon và thép vonfram (tối đa năng lượng từ tính tích lũy khoảng 2.7 kj/m3 ) Các vật liệu nam châm vĩnh cửu khác nhau như thép coban (năng lượng từ tính tối đa tích lũy khoảng 7.2 kj/m3). Đặc biệt là vào những năm 1930, nam châm vĩnh cửu nhôm-niken coban (tích lũy năng lượng từ tính tối đa 85 kJ/m3) và nam châm vĩnh cửu của nam châm vĩnh cửu ferrite (tích lũy năng lượng từ tính tối đa có thể đạt tới 40 kj/m3) vào những năm 1950, và từ tính hiệu suất đã được cải thiện đáng kể và nhiều động cơ siêu nhỏ và nhỏ khác nhau sử dụng nam châm vĩnh cửu. Công suất của động cơ nam châm vĩnh cửu nhỏ từ vài milimet đến vài chục watt. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày, sản lượng tăng mạnh. Tương ứng, giai đoạn này cũng có những bước tiến đột phá về lý thuyết thiết kế, phương pháp tính toán, công nghệ sạc và chế tạo động cơ nam châm vĩnh cửu, đồng thời hình thành bộ phương pháp phân tích và nghiên cứu được biểu diễn bằng phương pháp giải đoán bản đồ từ trường vĩnh cửu. Tuy nhiên, lực cứng của nam châm vĩnh cửu nhôm niken coban (36 ~ 160 ka/m), mật độ từ tính còn lại của nam châm vĩnh cửu của sắt oxy không cao (0.2 ～ 0.44 t), làm hạn chế phạm vi 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 boron sắt (cả hai đều được gọi chung là nam châm vĩnh cửu đất hiếm) lần lượt ra đời. Các đặc tính từ tính tuyệt vời đặc biệt thích hợp cho việc sản xuất động cơ, do đó sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu đã bước vào một thời kỳ lịch sử mới.
Đặc điểm và ứng dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu
So với động cơ điện từ truyền thống, động cơ nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm, có cấu trúc đơn giản, hoạt động đáng tin cậy, khối lượng nhỏ, chất lượng nhẹ, tổn thất nhỏ, hiệu suất cao, hình dạng và kích thước của động cơ có thể linh hoạt và dễ dàng sử dụng. phong phú. Vì vậy, phạm vi ứng dụng vô cùng rộng, hầu như bao trùm khắp các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày. Dưới đây là các tính năng chính của một số động cơ nam châm vĩnh cửu điển hình và các ứng dụng chính của chúng.
1. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đất hiếm không cần thiết bị vòng thu và chổi than so với máy phát điện truyền thống. Cấu trúc đơn giản và giảm tỷ lệ thất bại. Bằng nam châm vĩnh cửu đất hiếm, nó còn có thể làm tăng khe hở không khí từ tính chặt chẽ, đồng thời tăng tốc độ lên giá trị tối ưu và tăng tỷ lệ chất lượng điện năng. Hầu như tất cả các máy phát điện hàng không và vũ trụ hiện đại đều sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu cũng được sử dụng làm máy khuyến khích liên kết cho máy phát điện bánh xe hơi nước lớn. Hiện nay, động cơ đốt trong dẫn động máy phát điện nhỏ, máy phát nam châm vĩnh cửu và máy phát không khí nam châm vĩnh cửu nhỏ điều khiển trực tiếp tiên phong để cung cấp điện độc lập đang dần được phát huy.
2. So với động cơ cảm ứng, đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu quả, không cần phải có dòng điện kích thích, điều này có thể cải thiện đáng kể hệ số công suất (có thể đạt 1, thậm chí công suất), giảm tổn thất dòng điện stato và stato điện trở, và không có sự tiêu thụ đồng rôto trong quá trình hoạt động ổn định, và nó có thể làm giảm quạt (động cơ công suất nhỏ thậm chí có thể tháo quạt) và tổn thất gió tương ứng. Hiệu suất có thể tăng từ 2 đến 8 điểm phần trăm so với cảm biến có thông số kỹ thuật tương tự. Hơn nữa, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể duy trì hiệu suất và hệ số công suất cao hơn trong khoảng từ 25% đến 120% tải định mức, làm cho hiệu ứng năng lượng hàng ngày trở nên đáng kể hơn trong thời gian chạy tải nhẹ. Loại động cơ này thường thiết lập một cuộn dây khởi động trên rôto, có khả năng khởi động trực tiếp ở một tần số và điện áp nhất định. Hiện nay, nó chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực mỏ dầu, công nghiệp dệt sợi hóa học, công nghiệp gốm sứ và bơm quạt với thời gian hoạt động hàng năm dài.
Trung Quốc đã phát triển độc lập động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao có thể giải quyết vấn đề “ngựa lớn lái xe nhỏ” trong ứng dụng mỏ dầu. Mô-men xoắn khởi động lớn hơn động cơ cảm ứng từ 50% đến 100%. Động cơ cảm ứng là khoảng 20%.
Vòng quay tải trong ngành dệt sợi hóa học lớn và đòi hỏi mô-men xoắn cao. Thiết kế hợp lý hệ số rò rỉ tải rỗng, tỷ số lồi, điện trở rôto, kích thước nam châm vĩnh cửu và số vòng dây stato của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có thể cải thiện hiệu suất đầu vào của động cơ nam châm vĩnh cửu và thúc đẩy nó thành loại dệt và hóa chất mới ngành sợi.
Hàng trăm kilowatt, Sữa, Dầu khí, Hóa chất và các ngành công nghiệp khác được sử dụng bởi hàng trăm kW và quạt cấp Muwa và động cơ máy bơm. Nâng cao hiệu suất và hệ số công suất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao độ tin cậy khi vận hành.
3. Động cơ nam châm vĩnh cửu AC servo và động cơ nam châm vĩnh cửu DC không chổi than hiện nay ngày càng sử dụng bộ nguồn biến tần và bộ động cơ điện AC để thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ DC. Trong động cơ xoay chiều, tốc độ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu duy trì mối quan hệ không đổi với tần số nguồn khi chạy ổn định, nhờ đó có thể sử dụng trực tiếp cho hệ thống điều chỉnh tốc độ chuyển đổi tần số có thể dùng để mở vòng lặp. Loại động cơ này thường bắt đầu từ việc tăng dần tần số của biến tần. Nó có thể được lắp đặt trên rôto mà không cần cài đặt cuộn dây khởi động, chổi than và bộ định hướng được lưu lại để duy trì việc bảo trì thuận tiện.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu của biến tần và hệ thống điều khiển vòng kín vị trí rôto tạo thành động cơ nam châm vĩnh cửu tự đồng bộ. Nó không chỉ có hiệu suất điều chỉnh tốc độ tuyệt vời của động cơ DC điện động mà còn thực hiện không chổi than. Nó chủ yếu được sử dụng cho các dịp có độ chính xác cao và độ tin cậy cao, chẳng hạn như hàng không, hàng không vũ trụ, máy công cụ CNC, trung tâm xử lý, robot, xe điện, thiết bị ngoại vi máy tính, v.v.
Hệ thống truyền động và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu NdFEB với dải tốc độ rộng và tỷ số tốc độ công suất không đổi cao đã được phát triển. Tỷ lệ tốc độ cao tới 1:22,500 và tốc độ giới hạn cao tới 9 000 vòng/phút. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là động cơ lý tưởng nhất trong xe điện, máy công cụ và các thiết bị truyền động khác vì hiệu suất cao, độ rung thấp, tiếng ồn thấp và mật độ mô-men xoắn cao.
Với sự cải thiện không ngừng của mức sống của người dân, yêu cầu đối với các thiết bị gia dụng ngày càng cao hơn. Ví dụ, máy điều hòa không khí gia đình không chỉ tiêu thụ điện năng mà còn là nguồn gây ra tiếng ồn chính và xu hướng phát triển của nó là sử dụng động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp. Nó có thể tự động điều chỉnh tốc độ phù hợp trong thời gian dài theo sự thay đổi của nhiệt độ phòng, giảm tiếng ồn và độ rung, giúp mọi người cảm thấy thoải mái hơn mà còn tiết kiệm 1/3 so với điều hòa không điều chỉnh tốc độ. Những sản phẩm khác như tủ lạnh, máy giặt, máy hút bụi, quạt,… cũng đang dần chuyển sang sử dụng động cơ DC không chổi than.
4. Động cơ DC nam châm vĩnh cửu sau khi sử dụng kích thích nam châm vĩnh cửu, không chỉ giữ được các đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt và đặc tính cơ học của động cơ DC kích thích điện mà còn có cấu trúc đơn giản, khối lượng nhỏ, ít đồng, hiệu suất cao vì loại bỏ cuộn dây kích thích và tổn thất kích thích. Vì vậy, từ các thiết bị gia dụng, thiết bị điện tử cầm tay, dụng cụ điện cho đến hệ thống truyền tốc độ và vị trí chính xác đòi hỏi hiệu suất động tốt, động cơ DC nam châm vĩnh cửu đều được sử dụng rộng rãi. Trong động cơ micro DC dưới 500 W, động cơ nam châm vĩnh cửu chiếm 92%, trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu dưới 10 W chiếm hơn 99%.
Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô Trung Quốc đang phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp ô tô là ngành sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu lớn nhất, động cơ là bộ phận quan trọng của ô tô, ô tô siêu sang, nhiều công dụng khác nhau của động cơ lên tới hơn 70 bộ , hầu hết trong số đó là micromotor DC nam châm vĩnh cửu điện áp thấp. Động cơ khởi động cho ô tô, xe máy sử dụng nam châm vĩnh cửu NdFeb và sử dụng bánh răng hành tinh giảm tốc có thể giảm một nửa khối lượng của động cơ khởi động.
Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu
Có nhiều loại động cơ nam châm vĩnh cửu. Theo chức năng của động cơ có thể tạm chia thành hai loại máy phát điện nam châm vĩnh cửu và động cơ nam châm vĩnh cửu.
Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể được chia thành động cơ DC nam châm vĩnh cửu và động cơ AC nam châm vĩnh cửu. Động cơ điện xoay chiều nam châm vĩnh cửu dùng để chỉ động cơ đồng bộ nhiều pha có rôto nam châm vĩnh cửu nên thường được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
Động cơ DC nam châm vĩnh cửu nếu không có bộ truyền động điện và cổ góp để phân chia. Nó có thể được chia thành động cơ dòng điện một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu và động cơ dòng điện một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC).
Trong thế giới ngày nay, lý thuyết và công nghệ điện tử công suất hiện đại đang phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử công suất như MOSFET, IGBT, MCT, v.v. tiếp tục ra đời và thiết bị điều khiển đã trải qua những thay đổi cơ bản. Kể từ khi F. BlascEke đề xuất nguyên lý điều khiển vectơ động cơ AC vào năm 1971, sự phát triển của công nghệ điều khiển vectơ đã tạo ra một kỷ nguyên mới về điều khiển truyền động servo AC và sự ra đời liên tục của nhiều bộ vi xử lý hiệu suất cao khác nhau đã đẩy nhanh hơn nữa sự phát triển của AC servo hệ thống để thay thế hệ thống servo DC. Hệ thống servo AC thay thế hệ thống servo DC đã trở thành xu hướng tất yếu. Tuy nhiên, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có điện thế ngược sóng hình sin và động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) có điện thế ngược sóng hình thang sẽ trở thành xu hướng phát triển hệ thống servo AC hiệu suất cao nhờ hiệu suất tuyệt vời của chúng.
Biện pháp phòng ngừa liên quan đến động cơ nam châm vĩnh cửu
1. Cấu trúc và tính toán thiết kế mạch từ
Để phát huy tối đa tính chất từ của các loại vật liệu nam châm vĩnh cửu khác nhau, đặc biệt là tính chất từ tính tuyệt vời của nam châm vĩnh cửu đất hiếm, đồng thời tạo ra động cơ nam châm vĩnh cửu tiết kiệm chi phí, không thể đơn giản áp dụng kết cấu và phương pháp tính toán thiết kế của Động cơ nam châm vĩnh cửu truyền thống hoặc động cơ kích thích điện và các khái niệm thiết kế mới phải được thiết lập để 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 và kỹ thuật, đã đạt được tiến bộ đột phá trong lý thuyết thiết kế, phương pháp tính toán, quy trình kết cấu và công nghệ điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu. Một bộ phương pháp phân tích và nghiên cứu hoàn chỉnh cũng như phần mềm phân tích và thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính, được kết hợp với tính toán số của trường điện từ và giải pháp phân tích mạch từ tương đương, đã được hình thành và không ngừng được cải tiến.
2. Vấn đề kiểm soát
Sau khi động cơ nam châm vĩnh cửu được chế tạo, nó có thể duy trì từ trường mà không cần năng lượng bên ngoài, nhưng nó cũng khiến việc điều chỉnh và kiểm soát từ trường của nó từ bên ngoài trở nên vô cùng khó khăn. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu khó điều chỉnh điện áp đầu ra và hệ số công suất từ bên ngoài, đồng thời động cơ DC nam châm vĩnh cửu không còn có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi kích thích. Những điều này giới hạn 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 điều khiển phần ứng. 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 trong thiết kế để động cơ nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động trong điều kiện mới.
3. Vấn đề khử từ không thể đảo ngược
Nếu thiết kế hoặc sử dụng không đúng, nhiệt độ động cơ nam châm vĩnh cửu quá cao (nam châm vĩnh cửu NdFeb) hoặc quá thấp (nam châm vĩnh cửu ferrite), dưới tác động của phản ứng phần ứng tạo ra bởi dòng điện va chạm hoặc do rung động cơ học dữ dội có thể tạo ra hiện tượng khử từ không thể đảo ngược hoặc mất từ tính, khiến hiệu suất của động cơ bị giảm hoặc thậm chí không thể sử dụng được. Vì vậy, cần nghiên cứu và phát triển các phương pháp, thiết bị phù hợp để các nhà sản xuất động cơ kiểm tra độ ổn định nhiệt của vật liệu nam châm vĩnh cửu, đồng thời phân tích khả năng chống khử từ của các dạng kết cấu khác nhau để từ đó áp dụng các biện pháp tương ứng nhằm đảm bảo vĩnh viễn Động cơ nam châm không bị mất từ tính khi thiết kế, chế tạo.
4. Chi phí
Động cơ nam châm vĩnh cửu Ferrite, đặc biệt là động cơ DC nam châm vĩnh cửu siêu nhỏ, đã được sử dụng rộng rãi do cấu trúc và quy trình đơn giản, khối lượng giảm và tổng chi phí thấp hơn động cơ kích thích điện. Do giá nam châm vĩnh cửu đất hiếm hiện nay vẫn còn tương đối đắt nên giá thành của động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhìn chung cao hơn động cơ kích thích 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 giọng nói của ổ đĩa máy tính, hiệu suất của nam châm vĩnh cửu Ndfeb được cải thiện, khối lượng âm lượng giảm đáng kể và tổng chi phí cũng giảm. Trong thiết kế, cần phải quyết định có nên lựa chọn theo hiệu suất và so sánh giá cả theo các dịp và yêu cầu sử dụng cụ thể hay không, đồng thời thực hiện đổi mới và tối ưu hóa thiết kế của quy trình kết cấu để giảm chi phí.
