Мотор на постоянных магнитах. Двигатели на постоянных магнитах: устройство, принцип работы, преимущества и применение

Что такое двигатель на постоянных магнитах. Как устроен и работает такой электродвигатель. Какие преимущества имеет перед другими типами моторов. Где применяются двигатели с постоянными магнитами.

Что представляет собой двигатель на постоянных магнитах

Двигатель на постоянных магнитах — это разновидность электродвигателя, в конструкции которого используются постоянные магниты, создающие магнитное поле в роторе. Такие двигатели сочетают в себе преимущества асинхронных и синхронных машин, обладая высокой эффективностью и простотой конструкции.

Основные компоненты двигателя на постоянных магнитах:

• Статор с обмотками
• Ротор с постоянными магнитами
• Подшипники
• Вал
• Корпус

Постоянные магниты, как правило, изготавливаются из редкоземельных материалов, таких как неодим-железо-бор или самарий-кобальт. Они обеспечивают сильное и стабильное магнитное поле в роторе без необходимости в дополнительном электропитании.

Принцип работы двигателя с постоянными магнитами

Двигатель на постоянных магнитах работает по следующему принципу:

1. На обмотки статора подается переменный ток, создающий вращающееся магнитное поле.
2. Магнитное поле статора взаимодействует с полем постоянных магнитов ротора.
3. Возникает крутящий момент, заставляющий ротор вращаться вслед за полем статора.
4. Ротор вращается синхронно с магнитным полем статора.

За счет использования постоянных магнитов в роторе отпадает необходимость в скользящих контактах для питания обмоток возбуждения, как в обычных синхронных машинах. Это упрощает конструкцию и повышает надежность двигателя.

Основные преимущества двигателей на постоянных магнитах

Двигатели с постоянными магнитами обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами электродвигателей:

• Высокий КПД (до 95% и выше)
• Отличные динамические характеристики
• Компактные размеры и малый вес
• Низкий уровень шума и вибраций
• Широкий диапазон регулирования скорости
• Высокая перегрузочная способность
• Отсутствие скользящих контактов
• Простота конструкции и обслуживания

Благодаря этим преимуществам двигатели на постоянных магнитах находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности и техники.

Сравнение с асинхронными двигателями

Двигатели на постоянных магнитах имеют ряд отличий от традиционных асинхронных двигателей:

Параметр	Двигатель на постоянных магнитах	Асинхронный двигатель
КПД	До 95% и выше	80-90%
Габариты и вес	Меньше	Больше
Пусковой момент	Высокий	Низкий
Регулирование скорости	Простое	Сложнее
Стоимость	Выше	Ниже

Как видно из сравнения, двигатели на постоянных магнитах превосходят асинхронные по многим параметрам, хотя и имеют более высокую стоимость.

Области применения двигателей с постоянными магнитами

Двигатели на постоянных магнитах находят применение в самых разных сферах:

• Электротранспорт (электромобили, электробусы)
• Промышленные приводы и станки
• Робототехника
• Бытовая техника
• Медицинское оборудование
• Аэрокосмическая отрасль
• Ветрогенераторы
• Лифты и эскалаторы

Особенно перспективно использование таких двигателей в электротранспорте, где критически важны высокий КПД, компактность и широкий диапазон регулирования скорости.

Конструктивные особенности двигателей на постоянных магнитах

Существует несколько основных вариантов конструктивного исполнения двигателей с постоянными магнитами:

1. С внешним ротором
2. С внутренним ротором
3. Дисковые (аксиальные)

Выбор конкретной конструкции зависит от требований к двигателю и особенностей его применения. Например, двигатели с внешним ротором часто используются в вентиляторах, а дисковые — в приводах колес электромобилей.

Управление двигателями на постоянных магнитах

Для управления двигателями на постоянных магнитах обычно применяются специальные электронные преобразователи частоты. Они позволяют:

• Плавно регулировать скорость вращения
• Обеспечивать высокий пусковой момент
• Ограничивать ток и момент двигателя
• Реализовывать энергоэффективные алгоритмы управления

Современные системы управления на основе микропроцессоров позволяют добиться максимальной эффективности работы двигателей на постоянных магнитах в различных режимах.

Перспективы развития двигателей с постоянными магнитами

Двигатели на постоянных магнитах активно совершенствуются. Основные направления развития:

• Создание более мощных и компактных магнитов
• Оптимизация конструкции для снижения потерь
• Разработка новых алгоритмов управления
• Снижение стоимости производства
• Повышение надежности и ресурса

По мере развития технологий двигатели на постоянных магнитах будут становиться все более конкурентоспособными по сравнению с традиционными типами электродвигателей.

Заключение

Двигатели на постоянных магнитах представляют собой перспективный тип электрических машин, сочетающий высокую эффективность, компактность и отличные динамические характеристики. Благодаря своим преимуществам они находят все более широкое применение в различных отраслях техники, особенно в электротранспорте и промышленных приводах. По мере дальнейшего совершенствования технологий роль двигателей с постоянными магнитами будет только возрастать.

Магнитные двигатели на постоянных магнитах (схема, видео)

Согласно закону сохранения энергии, любой современный эл. привод не может иметь КПД выше 100%, потому как часть энергии нужно потратить на собственные нужды. Решить этот вечный вопрос призван двигатель на постоянных магнитах (униполярный, линейный, роторный, гравитационный и т. п), в котором механическое перемещение компонентов происходит за счет их взаимодействия на уровне магнитных свойств.

Принцип действия вечного магнитного движителя

Большинство современных эл. двигателей используют принцип трансформации эл. тока в механическое вращение ротора, а вместе с ним и приводного вала. Это значит, что любой расчет покажет КПД меньше 100%, а сам агрегат является зависимым, а не автономным. Та же ситуация наблюдается в случае генерирующего устройства. Здесь уже момент вращения вала, которое происходит за счет тепловой, ядерной, кинетической или потенциальной энергии движения среды, приводит к выработке электрического тока на коллекторных пластинах.

Двигатель на постоянных магнитах использует совершенно иной подход к работе, который нивелирует или сводит к минимуму необходимость в сторонних источниках энергии. Описать принцип работы такого двигателя можно на примере «беличьего колеса». Для изготовления демонстративной модели не требуются особые чертежи или расчет надежности. Необходимо взять один постоянный магнит тарельчатого (дискового) типа, полюса которого располагаются на верхней и нижней плоскостях пластин. Он будет служить основой конструкции, к которой нужно добавить два кольцевых барьера (внутренний, внешний) из немагнитных, экранирующих материалов. В промежуток (дорожку) между ними помещается стальной шарик, который будет играть роль ротора. В силу свойств магнитного поля, он сразу же прилипнет к диску разноименным полюсом, положение которого не будет меняться при движении.

Статор представляет собой условно пластину из экранируемого материала, на которую по кольцевой траектории крепят постоянные магниты, например, неодимовые. Их полюса расположены перпендикулярно по отношению к полюсам дискового магнита и ротора. В результате, когда статор приближается к ротору на определенное расстояние, возникает поочередное притяжение, отталкивание в магнитном поле, которое формирует момент затем перерастает во вращение шарика по кольцевой траектории (дорожке). Пуск и остановка происходят за счет приближения или отдаления статора с магнитами. Этот вечный двигатель на постоянных магнитах будет работать до тех пор, пока они не размагнитятся. Расчет ведется относительно размера коридора, диаметров шарика, пластины статора, а также цепи управления на реле или катушках индуктивности.

На подобном принципе действия было разработано немало моделей действующих образцов, например, синхронных двигателей, генераторов. Наиболее известными среди них являются двигатели на магнитной тяге Тесла, Минато, Перендев, Говарда Джонсона, Лазарева, а также линейные, униполярные, роторные, цилиндровые и т. д.

Рассмотрим каждый из примеров подробнее.

Магнитный униполярный двигатель Тесла

Выдающийся ученый, ставший в свое время пионером в области снабжения эл. током, асинхронных электродвигателей на переменном токе, не обделил своим вниманием и расчетом вопрос вечного источника энергии. В научной среде это изобретение именуется иначе, как униполярный генератор Тесла.

Первоначально расчет данного типа устройства вел Фарадей, но его прототип при сходном принципе действия не обладал должной эффективностью, стабильностью работы, то есть не достиг цели. Термин «униполярный» означает, что в схеме агрегата кольцевой, дисковый (пластина) или цилиндровый проводник расположен в цепи между полюсами постоянного магнита.

Магнитный двигатель Тесла и его схема

На схеме, которая была представлена в оригинальном патенте, есть конструкция с двумя валами, на которых размещаются две пары магнитов: В, В создают условно положительное поле, а С, С – отрицательное. Между ними располагаются униполярные диски с отбортовкой, используемые в качестве генерирующих проводников. Оба униполярных диска связаны между собой тонкой металлической лентой, которая может быть в принципе использована, как проводник (в оригинале) или для вращения диска.

Двигатель Минато

Еще одним ярким примером использования энергии магнетизма для самовозбуждения и автономной работы является сегодня уже серийный образец, разработанный более тридцати лет назад японцем Кохеи Минато. Его отличают бесшумность и высокая эффективность. По собственным заявлениям Минато, самовращающийся магнитный двигатель подобной конструкции имеет КПД выше 300%.

Двигатель Минато

Ротор имеет форму диска или колеса, на котором под определенным углом располагаются магниты. Когда к ним подводится статор с большим магнитом, возникает момент и колесо Минато начинает вращаться, используя попеременное сближение и отталкивание полюсов. Чем ближе статор к ротору, тем выше момент и скорость вращения. Питание осуществляется через цепь реле прерывателя.

Для предотвращения импульсов и биения при вращении колеса Минато, используют реле стабилизаторы и сводят к минимуму потребление тока управляющего эл. магнита. Недостатком можно считать отсутствие данных по нагрузочным характеристикам, тяге, используемых реле цепи управления, а также необходимость периодического намагничивания, о которой, кстати, тоже от Минато информации нет.

Может быть собран, как и остальные прототипы, экспериментально, из подручных средств, например, деталей конструктора, реле, эл. магнитов и т. п.

Двигатель Лазарева

Устройство двигателя Лазарева

Отечественный разработчик Николай Лазарев создал работающий и довольно простой вариант агрегата, использующего магнитную тягу. Его двигатель или роторный кольцар, состоит из емкости, разделенной пористой перегородкой потока на верхнюю и нижнюю части. Они сообщаются между собой за счет трубки, по которой из нижней камеры в верхнюю идет поток воды/жидкости. В свою очередь поры обеспечивают гравитационное перетекание вниз. Если под потоком жидкости поместить колесико, на лопастях которого будут закреплены магниты, то получиться добиться цели потока – вращения и создания постоянного магнитного поля. Схема роторного двигателя Николая Лазарева используется для расчета и сборки простейших самовращающихся устройств.

Магнитный мотор Говарда Джонсона

Магнитный мотор Говарда Джонсона

В своей работе и следующем за ней патенте на изобретение, Говард Джонсон использовал энергию, генерируемую потоком непарных электронов, присутствующих в магнитах для организации цепи питания мотора. Статор Джонсона представляет собой совокупность множества магнитов, дорожка расположения и движения которых будет зависеть от конструктивной компоновки агрегата Говарда Джонсона (линейной или роторной). Они закрепляются на специальной пластине с высокой степенью магнитной проницаемости. Одноименные полюса статорных магнитов направляются в сторону ротора. Это обеспечивает поочередное притяжение и отталкивание полюсов, а вместе с ними, момент и физическое смещение элементов статора и ротора относительно друг друга.

Организованный Говардом Джонсоном расчет воздушного зазора между ними позволяет корректировать магнитную концентрацию и силу взаимодействия в большую или меньшую сторону.

Генератор Перендева

Генератор Перендева

Еще одним неоднозначным примером действия магнитных сил является самовращающийся магнитный двигатель Перендев. Его создатель Майк Брэди, до того, как в его отношении начали уголовное производство, даже успел обзавестись патентом, создать одноименную фирму (Перендев) и поставить дело на поток. Если анализировать представленную в патенте схему и принцип, или чертежи самодельных эл. двигателей, то ротор и статор имеют форму диска и внешнего кольца. На них по кольцевой траектории размещают отдельные магниты, соблюдая определенный угол относительно центральной оси. За счет взаимодействия поля отдельных магнитов статора и ротора Перендев, возникает момент и происходит их взаимное перемещение (вращение). Расчет цепи магнитов сводится к определению угла расхождения.

Синхронный двигатель на постоянных магнитах

Устройство синхронного двигателя на магнитах

Одним из основных видов электродвигателей является синхронный, частота вращения магнитных полей статора и ротора которого равны. У обычного электромагнитного мотора обе эти части состоят из обмоток на пластинах. Но если конструкцию якоря поменять и вместо катушки поставить постоянные магниты, то можно получить интересную, эффективную, действующую модель синхронного двигателя. Статор имеет привычную компоновку магнитопровода из пластин и обмоток, в которых способно генерироваться вращающееся магнитное поле от электрического тока. Ротор создает постоянное поле, которое взаимодействует с предыдущим, и создает крутящий момент.

Также следует отметить, что в зависимости от схемы, относительное расположение статора и якоря могут меняться, например, последний будет выполнен в форме внешней оболочки. Для пуска мотора от тока из сети используется цепь из магнитного пускателя (реле, контактора) и теплового защитного реле.

В России создали прорывной электродвигатель без постоянных магнитов

?

В России создали прорывной электродвигатель без постоянных магнитов

i_korotchenko

July 23rd, 2019

Российским инженерам из компании «Электротранспортные технологии» удалось создать вентильно-индукторный автомобильный электродвигатель, КПД которого на 15% выше, чем у иностранных аналогов. При этом стоит отечественная разработка дешевле, что в конечном счете отразится и на цене автомобилей, в которых будет использоваться вышеупомянутый мотор. Суть инновации заключается в том, что российские конструкторы применили медную катушку для создания магнитного поля, необходимого для того, чтобы привести колеса автомобиля в движение. В большинстве современных синхронных электромоторов, где используются постоянные магниты, проводник смещается в магнитном поле, образуя противоположно направленную силу, которая, в свою очередь, снижает силу тока. Для увеличения последней приходится уменьшать поле постоянного магнита, на что тратится дополнительная энергия, снижая общий КПД такого двигателя.

В российской разработке, как уже упоминалось выше, магнитное поле создается посредством катушки, по которой проходит ток. Последним можно управлять, снижая напряжение во время разгона и увеличивая, для большей мощности без потери КПД. Кроме того, данный агрегат не нуждается в сложных системах охлаждения. В нем нет постоянных магнитов, которые имеют свойство размагничиваться при перегреве (достижение точки Кюри) и резко снижать мощность двигателя. Испытания, проведенные российскими инженерами, показали, что иностранный аналог (на постоянных магнитах) перестает функционировать уже при 100 °C, в то время, как отечественный мотор продолжает работать при нагреве в 150°.

Стоит отметить, что инновация в ближайшем будущем может найти коммерческое применение. Разработчик планирует наладить выпуск беспилотных грузовиков, оснащенных подобными моторами. Несколько таких машин на данный момент уже испытываются иностранными компаниями.

источник: Сделано у нас , фото: © cdn.iz.ru

Tags: Россия, наука

• ЗРК «Тор-М2» в составе эшелонированной системы ПВО отразили налет в ходе учений в Астраханской обл.

  Как сообщает пресс-служба Министерства обороны РФ, в конце октября 2020 года расчеты ЗРК «Тор-М2» подразделений войск ПВО Сухопутных войск приняли…

• Коллективный договор ИЭМЗ «Купол» признан лучшим в отрасли

  Награда «Лучшая организация в системе социального партнерства» среди предприятий радиоэлектронной промышленности присуждена предприятию за работу…

• Завершается кругосветная экспедиция ВМФ России

  Океанографическое исследовательское судно ВМФ России «Адмирал Владимирский» завершает прохождение Балтийской проливной зоны и 6 июня, войдет в…

• ВМС Франции приняли на вооружение шестой фрегат класса FREMM

  По информации командования ВМС Франции, 3 июня начальник штаба ВМС адмирал Кристоф Празюк (Christophe Prazuck) подписал предписание о готовности к…

• Поставка первой партии истребителей «Рафаль» в Индию будет выполнена в согласованные сроки

  Как сообщило Минобороны Индии, в ходе телефонного разговора министр обороны Франции Флоранс Парли сообщила главе индийского военного ведомства…

• Минобороны Чехии намерено закупить 155-мм самоходные гаубицы «Цезарь»

  Минобороны Чехии объявило о решении приступить к переговорам с французской компанией Nexter о приобретении 52 ед. 155-мм самоходных гаубиц…

• ЗРК «Тор-М2» примут участие в Параде Победы 24 июня 2020 года

  В этом году в связи с неблагоприятной эпидемиологической ситуацией Парад Победы на Красной площади был перенесён с 9 мая на 24 июня. О том, какие…

• США и НАТО бряцают оружием у российских границ, несмотря на эпидемию ковида

  Начальник Главного оперативного управления Генерального штаба ВС РФ генерал-полковник Сергей Рудской провел брифинг, в ходе которого отметил, что…

• Вооруженные Силы Польши получили первые танки «Леопард-2PL»

  Консорциум «Польская оружейная группа» (Polska Grupa Zbrojeniowa S. A. – PGZ) объявил о поставке Вооруженным Силам Польши первых двух танков,…

Асинхронный двигатель на постоянных магнитах

В воздушных винтовых компрессорах GA VSD + установлен асинхронный электродвигатель на постоянных магнитах, который имеет множество преимуществ. У этого электродвигателя высокий КПД, что гарантирует эффективное использование электроэнергии компрессором. Его класс энергоэффективности соответствует стандарту IE5, что говорит о его высоком качестве работы и относит к категории super premium. А высокий крутящий момент двигателя позволяет избежать его перегрузки при запуске винтового компрессора.

Возможность регулировать реактивную мощность

Асинхронный двигатель на постоянных магнитах винтовых компрессоров GA VSD+ дает возможность регулировать реактивную мощность в сети предприятия. Но что такое реактивная мощность? Это технические потери электроэнергии, вызывающие нагрев и избыточную нагрузку на сеть. И возможность регулировать эту мощность, то есть работать компенсатором реактивной мощности позволяет сократить нагрузку в сети предприятия и таким образом избежать энергозатрат. 

 

Не требуется воздух для охлаждения двигателя, следовательно, меньше двигатель вентилятора

Во время работы винтового компрессора нагрев электродвигателя неизбежен. Это вызывает необходимость в его охлаждении, с чем справляется вентилятор. Но двигатель вентилятора тоже потребляет энергию, что приводит к энергозатратам.

В воздушных винтовых компрессорах GA VSD+ этот вопрос решен иначе. Электродвигатель имеет масляное охлаждение, как и компрессор. Этот факт ведет к тому, что охлаждение двигателя воздухом не требуется, это означает, что у двигателя нет вентилятора, следовательно энергозатраты ниже.

 

Класс защиты IP66 (пыль и вода)

В любых условиях работы оборудование всегда подвержено попаданию пыли и влаги, что влечет за собой неисправности. Особенно остро этот вопрос касается движущихся частей машины, а именно электродвигателя, который приводит в движение винтовой элемент компрессора. Поэтому при выборе компрессоров нельзя упускать из внимания класс защиты электродвигателя.

В воздушных винтовых компрессорах GA VSD + установлен асинхронный двигатель на постоянных магнитах с классом защиты IP66. IP66 – это высокий показатель, который гарантирует полную пыленепроницаемость и надежную защиту от влаги, что исключает поломки и неисправности двигателя от пыли или воды.

 

Меньше конденсация влаги в масле

Конденсация влаги в масле промышленного компрессора является проблемой, внимание на которую не обращать просто нельзя. Этот фактор приводит масло в негодность и влечет за собой скорый выход системы подачи сжатого воздуха из строя.

Поскольку в новых винтовых компрессорах GA VSD + электродвигатель находится в отсеке с контролируемой температурой, конденсацию влаги в масле удалось значительно уменьшить. Это гарантирует надежную работу воздушного компрессора в течение долгого времени.  

 

Двигатель на постоянных магнитах расположен вертикально

Во время сжатия газа в винтовых компрессорах возникают радиальные и осевые газовые силы. Они вызывают значительные нагрузки на движущиеся элементы внутри машины (валы, подшипники) и от этого потери на их преодоление. Уникальное вертикальное расположение асинхронного двигателя на постоянных магнитах в промышленных винтовых воздушных компрессорах GA VSD+ позволяет за счет силы тяжести компенсировать направленные вертикально вверх газовые силы, возникающие при сжатии газа. Это позволяет уменьшить нагрузку на подшипники винтового элемента и продлить их срок службы.

Двигатель занимает меньше места на 60%

Расположение электродвигателей в обычных винтовых компрессорах в большинстве случаев горизонтальное. Этот факт зачастую определяет габариты машины, от которого нужно жестко отталкиваться.

В промышленных воздушных винтовых компрессорах GA VSD + электродвигатель имеет уникальное расположение внутри корпуса. Он установлен вертикально, что существенно снижает габаритные размеры, делая его компактнее.

 

Подшипник, который смазывается автоматически

Любое компрессорное оборудование нуждается в сервисном обслуживании для долгой и надежной работы. И одними из самых важных элементов при таком обслуживании являются подшипники, поскольку без них валы машины просто не смогут вращаться. Поэтому их нужно регулярно смазывать.

В винтовых компрессорах GA VSD+ двигатель имеет один подшипник, а благодаря масляному охлаждению двигателя он смазывается автоматически. Таким образом этот факт позволяет экономить время на сервисном обслуживанию и обеспечивает дополнительную защиту воздушного компрессора. 

 

Уменьшения элементов, требующих охлаждения

В винтовых компрессорах GA VSD+ электродвигатель имеет масляную рубашку охлаждения за счет чего количество элементов, требующих дополнительного охлаждения, значительно уменьшилась. Это позволило уменьшить двигатель вентилятора и сократить потребление электроэнергии.

 

Потребление энергии как у компрессоров с фиксированной скоростью вращения

Технология VSD+ винтовых компрессоров GA VSD+ позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, меняя нагрузку согласно потребности в сжатом воздухе. Но, кроме этого, благодаря двигателю GA VSD+ может работать и на максимальной нагрузке практически все время, потребляя при этом столько энергии сколько и обычные компрессоры с фиксированной скоростью вращения. Это говорит о том, что GA VSD+ ничего не теряет в своих характеристиках даже при максимальной загрузке.

 

Проверенная надежная конструкция, прошедшая испытания, которые включали тысячи часов наработки

Воздушные винтовые компрессоры GA VSD+ гарантируют надежное исполнение, поскольку перед выходом на рынок они прошли все проверки и испытания, включающие тысячи часов работы в самых сложных условиях эксплуатации.  

 

Все о двигателях с постоянными магнитами

Благодаря электрическому двигателю появилась возможность производить движение с помощью электричества. Они представляют собой разнообразный класс машин, которые обеспечивают мощность для ошеломляющего количества приложений и в настоящее время управляют автоматизацией, производством, коммерческими продуктами и многим другим. Универсальность этих двигателей обусловлена ​​​​многими доступными типами электродвигателей, и в этой статье будет рассмотрена многообещающая конструкция — двигатель с постоянными магнитами. Первоначально разработанный на ранней стадии, этот двигатель быстро становится достойной альтернативой отраслевым стандартам благодаря достижениям 21 века. Этот двигатель, принципы его работы и области применения будут рассмотрены в ходе этого обсуждения и будут показаны, почему этот двигатель привлек к себе столько внимания в последние годы.

Что такое двигатели с постоянными магнитами?

Двигатели с постоянными магнитами — это усовершенствованный двигатель, похожий по конструкции на асинхронные двигатели и серводвигатели (более подробную информацию об этих двух конструкциях можно найти в наших статьях об асинхронных двигателях и серводвигателях). Они состоят из статора — внешнего корпуса — и ротора — подвижного компонента, соединенного с выходным валом двигателя. Как и другие двигатели переменного тока, двигатель с постоянными магнитами использует физику электромагнетизма для создания крутящего момента, и они делают это с помощью постоянных магнитов (обычно редкоземельных магнитов), встроенных в их ротор. Эта конструкция отличается от большинства других электродвигателей, в которых ротор либо генерирует собственное магнитное поле за счет индукции, либо за счет использования источника питания постоянного тока, либо просто состоит из ферромагнитного металла. Магниты в двигателе с постоянными магнитами при правильном расположении по отношению к статору могут обеспечивать скорость, равную частоте тока возбуждения, и поэтому считаются синхронным двигателем (подробнее см. в нашей статье о синхронных двигателях). Эти двигатели должны быть соединены с электронным компонентом, который сглаживает крутящий момент этого двигателя, и именно поэтому эти машины только недавно достигли своего успеха в качестве жизнеспособной конструкции.

Как работают двигатели с постоянными магнитами?

Основные принципы работы двигателя с постоянными магнитами аналогичны большинству электродвигателей; внешний статор содержит обмотки катушек, питаемых от источника питания, а ротор свободно вращается за счет сил, передаваемых катушками статора. Многие из тех же основных принципов, что и для асинхронных двигателей, справедливы и для двигателей с постоянными магнитами, и дополнительную информацию можно найти в нашей статье об асинхронных двигателях. Это не означает, что они чисто машины переменного тока; фактически, на протяжении большей части своего срока службы они использовались как двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (PMDCM) для небольших приложений. Тем не менее, мощность PMDCM довольно слабая, и в этой статье основное внимание будет уделено двигателям переменного тока с постоянными магнитами (PMACM), поскольку они имеют большие размеры, предлагают большую мощность и могут соответствовать асинхронным двигателям с точки зрения прочности. , эффективность и количество использований.

Определяющая особенность PMACM — постоянные магниты внутри их ротора — подвергаются воздействию вращающегося магнитного поля (RMF) обмоток статора и отталкиваются во вращательное движение. Это отличие от других роторов, где магнитная сила должна индуцироваться или генерироваться в корпусе ротора, что требует большего тока. Это означает, что PMACM, как правило, более эффективны, чем асинхронные двигатели, поскольку магнитное поле ротора является постоянным и не требует источника энергии для его генерации. Это также означает, что для работы им требуется частотно-регулируемый привод (VFD или привод с постоянными магнитами), который представляет собой систему управления, сглаживающую крутящий момент, создаваемый этими двигателями. Включая и выключая ток в обмотках статора на определенных этапах вращения ротора, привод ПМ одновременно регулирует момент и ток и использует эти данные для расчета положения ротора, а значит и скорости выхода вала. Это синхронные машины, так как скорость их вращения соответствует скорости RMF. Эти машины являются относительно новыми и все еще находятся в стадии оптимизации, поэтому конкретная работа любого PMACM на данный момент по существу уникальна для каждой конструкции.

Технические характеристики двигателей с постоянными магнитами

PMACM имеют номинальные характеристики, аналогичные асинхронным двигателям, и освежить в памяти основные характеристики, общие для этих двигателей, можно в наших статьях об асинхронных двигателях. Ниже приведены некоторые важные характеристики, характерные для PMACM, которые могут помочь разработчикам выбрать двигатель, подходящий для их работы.

Тип фазы

PMACM в большинстве случаев питаются от трехфазного переменного тока, предназначенного для создания быстрого RMF, что делает их типом трехфазного двигателя. Важно понимать фазу двигателя, поскольку однофазные двигатели по своей природе не запускаются самостоятельно, а трехфазные двигатели обычно имеют более высокие номинальные напряжения / крутящие моменты. Более подробную информацию можно найти в наших статьях об однофазных двигателях и типах пускателей.

Полюса и шестерня двигателя

Полюса двигателя — это просто магнитные точки север-юг на статоре и роторе. В PMACM эти полюса являются постоянными в роторе и переключаются в статоре для создания вращения. Может возникнуть явление, известное как заклинивание двигателя, когда постоянное преодоление притяжения и отталкивания постоянных магнитов вызывает нежелательные рывки во время вращения ротора. Заедание обычно происходит при запуске двигателя и может вызывать вибрации, шум и неравномерное вращение. Увеличение количества полюсов в PMACM помогает уменьшить эту проблему, а также эффект пульсаций крутящего момента (дополнительную информацию о пульсациях крутящего момента можно найти в нашей статье о реактивных двигателях). Поэтому PMACM обычно имеют больше полюсов, чем асинхронные двигатели, что позволяет предположить, что им требуется более высокая входная частота для достижения аналогичных скоростей вращения.

Заметность и замкнутая обратная связь

Для этих двигателей необходимо специальное оборудование системы управления, позволяющее им работать наиболее эффективно. В PMACM заметность — это разница индуктивностей на клеммах двигателя при вращении ротора. Эта разница может привести к смещению ротора и статора, что может привести к нежелательному заклиниванию/отказу. Обратная связь с обратной связью используется для решения этой проблемы путем отслеживания точного положения ротора с помощью датчиков, а затем изменения входного тока и скорости, чтобы обеспечить непрерывное вращение двигателя.

Температура Кюри

При определенных условиях постоянные магниты могут терять свой магнетизм. Это размагничивание происходит при температуре Кюри — характеристике магнитов, при которой после определенной температуры весь магнетизм теряется. Несмотря на то, что двигатели с постоянными магнитами, как правило, работают при более низкой температуре, чем другие конструкции, эта температура Кюри особенно важна, поскольку даже приближение к этому значению может привести к ухудшению характеристик PMACM.

Применение и критерии выбора

Так как эти двигатели все еще разрабатываются, трудно обеспечить надежный метод выбора. Полезнее выделить преимущества этих двигателей по сравнению с современными конструкциями, а также их недостатки, которые могут стать причиной выбора другого, более обычного двигателя.

Наиболее привлекательным преимуществом PMACM является то, что они обладают более высокой эффективностью благодаря упрощенному ротору. Эта эффективность является исключительной при малых нагрузках по крутящему моменту и может сэкономить много киловатт-часов энергии в таких схемах. Эта экономия также увеличивается с размером двигателя, что позволяет PMACM конкурировать с обычными асинхронными двигателями в высокоскоростных приложениях с высоким крутящим моментом. Более высокая удельная мощность PMACM в сочетании с их высокоскоростными возможностями и эффективностью может дать асинхронным двигателям, таким как классические двигатели с короткозамкнутым ротором и двигателями с фазным ротором, возможность работать за свои деньги. Они также, как правило, занимают меньшую площадь и отлично подходят для модернизации старых систем с помощью новых, меньших и более мощных PMACM. Несмотря на то, что они дороже асинхронных двигателей по первоначальной стоимости продукта, PMACM и их экономия энергии могут обеспечить полную окупаемость инвестиций чуть более чем за год. Они также синхронны, что позволяет им работать там, где не могут работать асинхронные двигатели. PMACM также меньше нагреваются, чем асинхронные двигатели, что увеличивает их надежность и срок службы.

Основным недостатком является также причина их успеха в качестве двигателя; для работы им требуется точное оборудование систем управления, и без него они бесполезны. Эти системы усложняют установку и эксплуатацию и могут увеличить первоначальные затраты на PMACM. Еще одна серьезная проблема, связанная с этими типами двигателей, заключается в их потребности в редкоземельных магнитах (самарий, неодим и т. д.), которые облагают налогом окружающую среду при добыче полезных ископаемых и имеют нестабильные рыночные цены. Таким образом, несмотря на то, что они энергоэффективны в использовании, их производство экологически вредно, и их цены могут колебаться в зависимости от постоянно меняющихся цен на рынках магнитов.

В настоящее время эти двигатели используются в электромобилях, модернизируемых устройствах, конвейерах, смесителях, измельчителях, насосах, вентиляторах, воздуходувках и устройствах, для которых также подходят асинхронные двигатели. Как объяснялось ранее, эти двигатели все еще находятся в стадии исследований и далеко не так распространены, как обычные конструкции. Тем не менее, по прошествии некоторого времени и дополнительных инженерных разработок двигатель с постоянными магнитами может обогнать рынок в качестве отраслевого стандарта для производства механической энергии.

Резюме

В этой статье представлено понимание того, что такое двигатели с постоянными магнитами и как они работают. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть сведения о конкретных продуктах.

Источники:

1. https://www.seventhwave.org/new-technologies/permanent-magnet-alternating-current-motors
2. https://www.xcelenergy.com/staticfiles/xe-responsive/Programs%20and%20Rebates/Business/MN-Motors-PMAC-Information-Sheet.pdf
3. https://michaelsenergy.com/briefs/permanent-magnet-ac-motors/
4. https://www.mtecorp.com
5. https://www.machinedesign.com/#menu
6. https://geosci.uchicago.edu

Другие изделия для двигателей

• Все о бесщеточных двигателях постоянного тока: что это такое и как они работают
• Все о двигателях постоянного тока с обмоткой серии — что это такое и как они работают
• Все о шунтирующих двигателях постоянного тока — что это такое и как они работают
• Все о шаговых двигателях — что это такое и как они работают
Шаговые двигатели
• и серводвигатели — в чем разница?
• Все о контроллерах двигателей переменного тока — что это такое и как они работают
• Синхронные двигатели и асинхронные двигатели — в чем разница?
Бесщеточные двигатели
• и щеточные двигатели — в чем разница?
• Кто изобрел паровой двигатель? Урок промышленной истории
• Все о двигателях с электронным управлением — что это такое и как они работают
Двигатели постоянного тока
• и серводвигатели — в чем разница?
Шаговые двигатели
• и двигатели постоянного тока — в чем разница?
• Все о контроллерах серводвигателей — что это такое и как они работают
• Что такое трехфазный двигатель и как он работает?
• ECM Motors и PSC Motors — в чем разница?
• Все о устройствах плавного пуска двигателей: что это такое и как они работают
• Все о контроллерах двигателей постоянного тока — что это такое и как они работают
• Основы тестирования двигателя (и ротора)
• Что такое штамповка двигателя и как это работает?
• Все о двигателях с дробной мощностью

Другие товары от Машины, инструменты и расходные материалы

Машины, инструменты и расходные материалы

Машины, инструменты и расходные материалы

Машины, инструменты и расходные материалы

Машины, инструменты и расходные материалы

Машины, инструменты и расходные материалы

Машины, инструменты и расходные материалы

IPM в сравнении с электродвигателями SPM

Электродвигатели PM
IPM в сравнении с SPM

Какие преимущества вы можете получить, используя эти типы двигателей?

Двигатель с постоянными магнитами (ПМ) — это двигатель переменного тока, в котором используются магниты, встроенные или прикрепленные к поверхности ротора двигателя. Эта статья дает базовое понимание терминологии, концепций, теории и физики двигателей с постоянными магнитами.

Все дело в супермагнитах

Используемые магниты – это неодимовые и железо-борные магниты, также называемые супермагнитами. Это название связано с чрезвычайной концентрацией магнитного поля на см2, что делает их очень привлекательными, несмотря на их небольшой размер, их высокая плотность магнитного поля способствует прочности и эффективности.

Учитывая характеристики двигателей с постоянными магнитами и высокую плотность магнитного поля, которые позволяют спроектировать двигатель в три раза меньше двигателя с той же производительностью. Кроме того, высокий КПД позволяет с минимальным потреблением электроэнергии запускать электромобили. И последнее, но не менее важное: срок службы супермагнитов составляет около 400 лет. Гарантия их эффективности и надежности с течением времени.

SPM

поверхностный постоянный магнит

Тип двигателя, в котором постоянные магниты прикреплены к окружности ротора.

IPM

внутренний постоянный магнит

Тип двигателя, в роторе которого установлены постоянные магниты, называется IPM.

Изображение предоставлено KEB AG

Возможно, самым большим преимуществом конструкций IPM, которое дает им преимущество в транспортных средствах, таких как тяговые двигатели, является высокая скорость работы. Кривая зависимости мощности от скорости для двигателей SPM является примерно гиперболической, поднимаясь до области квазипостоянной мощности в узком диапазоне скоростей, а затем падая.

От SPM к IPM

На протяжении десятилетий двигатели с поверхностными постоянными магнитами (SPM) доминировали на рынке двигателей с постоянными магнитами. Однако в последние годы развивающийся рынок гибридных и электрических транспортных средств повысил спрос на внутренние двигатели с постоянными магнитами (IPM). Обладая такими преимуществами, как почти постоянная мощность в широком диапазоне скоростей и конструкция с удерживанием магнита, двигатели IPM представляют собой хорошее решение для таких приложений, как тяговые и вспомогательные двигатели.

Для транспортных средств технология IPM обеспечивает большие преимущества по сравнению с двигателями SPM. Конфигурация IPM позволяет лучше контролировать намагниченность магнитопровода.

Двигатели IPM, напротив, обеспечивают гораздо более широкий диапазон более или менее постоянного крутящего момента. Используя технику, называемую ослаблением поля, разработчики могут подавать ток для изменения характеристик. Ослабление поля по существу включает в себя настройку магнитного поля статора, чтобы частично противодействовать эффекту постоянных магнитов.

Сравнительные таблицы

SPM

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОСТОЯННЫЙ МАГНИТ

У двигателей SPM магниты прикреплены к внешней поверхности ротора, поэтому их механическая прочность ниже, чем у двигателей IPM. Ослабленная механическая прочность ограничивает максимальную безопасную механическую скорость двигателя. Кроме того, эти двигатели имеют очень ограниченную магнитную заметность (Ld ≈ Lq). Значения индуктивности, измеренные на выводах ротора, постоянны независимо от положения ротора. Из-за отношения заметности, близкого к единице, конструкции двигателей SPM в значительной степени, если не полностью, зависят от магнитной составляющей крутящего момента для создания крутящего момента.

IPM

ВНУТРЕННИЙ ПОСТОЯННЫЙ МАГНИТ

В двигателях IPM постоянный магнит встроен в сам ротор. В отличие от их аналогов SPM, расположение постоянных магнитов делает двигатели IPM очень надежными с механической точки зрения и подходящими для работы на очень высоких скоростях. Эти двигатели также отличаются относительно высоким коэффициентом значимости магнитного поля (Lq > Ld). Из-за своей магнитной заметности двигатель IPM может генерировать крутящий момент, используя преимущества как магнитной, так и реактивной составляющих крутящего момента двигателя, что делает их адаптированными к различным электромобилям.

Почему следует выбирать двигатель IPM вместо SPM?

Для высокоскоростных применений, таких как тяговые двигатели, лучшим выбором является двигатель IPM. Вы используете меньше магнитного материала, потому что вы получаете часть крутящего момента за счет выступающей части ротора, плюс у вас есть превосходный контроль намагниченности магнитной цепи за счет управления током, что позволяет вам работать очень эффективно в очень широком диапазоне скоростей. Тот факт, что ротор прочный, является бонусом.

Высокий крутящий момент

Высокий крутящий момент достигается за счет использования реактивного крутящего момента в дополнение к магнитному крутящему моменту.

Безопасность

Повышена механическая безопасность, поскольку, в отличие от СЗМ, магнит не отсоединяется под действием центробежной силы.

Энергосберегающие

Двигатели IPM потребляют на 30 % меньше энергии по сравнению с обычными электродвигателями.

Высокая скорость

Он может реагировать на высокоскоростное вращение двигателя, контролируя два типа крутящего момента с помощью векторного управления.

Откройте для себя электродвигатели Benevelli IPM

Benevelli Srl | Виа Салерно 28 | 42048 Италия | НДС 01863920359

• Политика конфиденциальности

• Политика в отношении файлов cookie

Электродвигатели с постоянными магнитами ESP | Шлюмберже

Электродвигатели с постоянными магнитами ESP | Шлюмберже

Для нефтегазовых, шахтных осушителей и геотермальных насосов REDA ESP

Цели ООН в области устойчивого развития

Снижение потребления энергии

Снижение потребления электроэнергии минимум на 10 % ^†

Сокращение выбросов

Сокращение выбросов парниковых газов до 143 метрических тонн CO2-экв. на скважину в год † 9002 3 9002 90,226

Многопрофильное применение

Применяется во многих отраслях, включая производство геотермальной энергии, где потребление электроэнергии насосом считается паразитной нагрузкой

^†  Повышение производительности основано на конфигурации двигателя 4,61 дюйма [117 мм] мощностью 322 л.с. по сравнению с технологией асинхронного двигателя предыдущего поколения. Расчеты исходя из срока службы 365 дней при 100% безотказной работе и с учетом потерь эффективности силового кабеля, привода ESP с переменной частотой или скоростью, а также трансформатор.
^‡ Преобразование электроэнергии в CO2 основано на коэффициентах выбросов МЭА 2019 г., равном 485,30 г CO2/кВт.ч.

Сокращение энергопотребления и выбросов в процессе эксплуатации

Оценка энергоэффективности погружных электронасосов (ЭЦН) — первый практический шаг к снижению энергопотребления и связанных с ним выбросов во время работы. Насосы и двигатели являются компонентами с наибольшим влиянием на потребляемую энергию.

Двигатели с постоянными магнитами (PMM) обеспечивают более высокий КПД, коэффициент мощности и удельную мощность, а также более широкий диапазон рабочих скоростей по сравнению с обычными асинхронными двигателями. Технология REDA ESP pump PMM снижает потребление электроэнергии до 10% благодаря большей эффективности, экономии энергии и сокращению выбросов категории 1 или категории 2 (в зависимости от источника электроэнергии).

КПД: до 93 % при нагрузке 100 %

Наружный диаметр двигателя, в [мм]: 3,19 [81], 4,61 [117] и 5,62 [143] температуры

Не все двигатели с постоянными магнитами (PMM)

ESP созданы одинаковыми. Детальное проектирование и совершенство производства отличают технологию PMM насоса REDA ESP, окрашенного в красный цвет (слева). Скрытый под красным корпусом опыт, полученный с 1930 года, превращает насос ESP в насос REDA (справа).

Размер и мощность двигателя обеспечивают большую эксплуатационную гибкость

Наши энергоэффективные, но мощные PMM надежны, прочны и доступны в широком диапазоне размеров и вариантов мощности. Более высокая мощность на единицу длины — удельная мощность — приводит к тому, что двигатель короче и легче, чем устаревшие асинхронные двигатели ESP, без снижения номинальных характеристик. Он также позволяет использовать конфигурацию с одним двигателем вместо длинных тандемных двигателей, что снижает риски, связанные с установкой ЭЦН в наклонно-направленных скважинах, особенно в скважинах с высокой степенью искривления (DLS).

В быстро меняющихся условиях более высокий крутящий момент PMM обеспечивает стабильную работу ЭЦН при повышенном выходе твердых частиц или обводненности. Стабильный крутящий момент при различных условиях нагрузки является ключевым отличием, обеспечивающим более высокую эффективность и экономию энергии по сравнению с технологией асинхронного двигателя.

Почему PMM более эффективны, чем асинхронные двигатели?

PMM являются синхронными электрическими машинами — ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле в статоре. Эта синхронная работа снижает потери в активной зоне, что приводит к меньшему нагреву и расширенному рабочему диапазону ЭЦН.

Для оптимальной работы PMM требуется привод с регулируемой скоростью (VSD) со специальными алгоритмами управления для синхронизации переключения выходных транзисторов и управления током в обмотках двигателя. Дополнительные затраты на модернизацию до VSD быстро окупаются.

Упрощенная установка и мониторинг в режиме реального времени

Наши PMM заполняются в контролируемой среде высокотемпературным синтетическим маслом для обеспечения диэлектрической прочности, смазывания подшипников и теплопроводности. Фланцевое соединение ESP обеспечивает надежное соединение двигателя и защиты, обеспечивая при этом герметичное уплотнение. Удлинитель кабеля двигателя MaxLok ESP с быстроразъемным соединением (MLE) упрощает подсоединение муфты к двигателю с помощью штекерного соединения, которое устраняет необходимость заклеивания клемм муфты на буровой площадке.

Готовое к работе основание совместимо с любым датчиком внутрискважинной системы мониторинга механизированной добычи Phoenix для мониторинга ЭЦН и свойств пласта в режиме реального времени. Датчик температуры, подключенный непосредственно к обмотке двигателя, позволяет контролировать температуру обмотки двигателя в режиме реального времени на всех этапах работы.

Безопасность PMM

Компания Schlumberger внедрила стандартные рабочие инструкции по всему миру, чтобы повысить безопасность всех, кто занимается запуском, эксплуатацией и демонтажем PMM. Обучение вашего персонала доступно по запросу в наших центрах сборки, ремонта и испытаний (ART).

Поделись этим

Войдите в систему, чтобы получить доступ к премиум-контенту

Чтобы загрузить этот файл, сначала войдите в свою учетную запись Schlumberger.

Нет учетной записи? Нажмите ниже, чтобы начать.

ВойтиРегистрация учетной записи

Извините, у вас нет доступа к этому контенту

Премиум-контент требует специальных разрешений учетной записи. Нам нужно немного больше информации от вас, прежде чем мы сможем предоставить вам доступ.