O desenvolvimento de motores de ímã permanente está intimamente relacionado ao desenvolvimento de materiais de ímã permanente. A China é o primeiro país do mundo a descobrir as propriedades magnéticas de materiais de ímã permanente e aplicá-las na prática. Há mais de 2.000 anos, a China utilizou as propriedades magnéticas de materiais de ímã permanente para fabricar bússolas, que desempenharam um papel fundamental na navegação, na indústria militar e em outros campos, tornando-se uma das quatro grandes invenções da China antiga.
O primeiro motor do mundo, que surgiu na década de 1920, foi um motor de ímã permanente que utilizava ímãs permanentes para gerar campos magnéticos de excitação. No entanto, o material de ímã permanente usado naquela época era a magnetita natural (Fe3O4), que tinha uma densidade de energia magnética muito baixa. O motor feito com ela era grande e logo foi substituído pelo motor elétrico de excitação.
Com o rápido desenvolvimento de vários motores e a invenção dos magnetizadores atuais, as pessoas conduziram pesquisas aprofundadas sobre o mecanismo, a composição e a tecnologia de fabricação de materiais magnéticos permanentes e descobriram sucessivamente uma variedade de materiais magnéticos permanentes, como aço carbono, aço de tungstênio (produto máximo de energia magnética de cerca de 2,7 kJ/m3) e aço cobalto (produto máximo de energia magnética de cerca de 7,2 kJ/m3).
Em particular, o surgimento dos ímãs permanentes de alumínio, níquel e cobalto na década de 1930 (com um produto máximo de energia magnética de 85 kJ/m³) e dos ímãs permanentes de ferrite na década de 1950 (com um produto máximo de energia magnética de 40 kJ/m³) melhorou significativamente as propriedades magnéticas, e diversos micro e pequenos motores começaram a utilizar excitação por ímãs permanentes. A potência dos motores de ímãs permanentes varia de alguns miliwatts a dezenas de quilowatts. Eles são amplamente utilizados na produção militar, industrial e agrícola, bem como na vida cotidiana, e sua produção aumentou drasticamente.
Consequentemente, durante esse período, avanços foram alcançados na teoria de projeto, métodos de cálculo, magnetização e tecnologia de fabricação de motores de ímãs permanentes, formando um conjunto de métodos de análise e pesquisa representados pelo método do diagrama de trabalho do ímã permanente. No entanto, a força coercitiva dos ímãs permanentes de AlNiCo é baixa (36-160 kA/m) e a densidade magnética remanescente dos ímãs permanentes de ferrite não é alta (0,2-0,44 T), o que limita sua faixa de aplicação em motores.
Somente nas décadas de 1960 e 1980 é que os ímãs permanentes de terras raras de cobalto e os ímãs permanentes de neodímio, ferro e boro (coletivamente chamados de ímãs permanentes de terras raras) surgiram sucessivamente. Suas excelentes propriedades magnéticas, como alta densidade magnética remanescente, alta força coercitiva, alto produto de energia magnética e curva de desmagnetização linear, são particularmente adequadas para a fabricação de motores, inaugurando assim o desenvolvimento dos motores de ímã permanente para um novo período histórico.
1. Materiais magnéticos permanentes
Os materiais de ímãs permanentes comumente usados em motores incluem ímãs sinterizados e ímãs colados, os principais tipos são alumínio, níquel, cobalto, ferrite, samário, cobalto, neodímio, ferro, boro, etc.
Alnico: O material de ímã permanente de alnico é um dos primeiros materiais de ímã permanente amplamente utilizados, e seu processo de preparação e tecnologia são relativamente maduros.
Ferrita permanente: Na década de 1950, a ferrita começou a prosperar, especialmente na década de 1970, quando a ferrita de estrôncio, com boa coercividade e desempenho de energia magnética, foi colocada em produção em grandes quantidades, expandindo rapidamente o uso da ferrita permanente. Como um material magnético não metálico, a ferrita não apresenta as desvantagens de fácil oxidação, baixa temperatura de Curie e alto custo dos materiais magnéticos permanentes metálicos, por isso é muito popular.
Samário-cobalto: Um material magnético permanente com excelentes propriedades magnéticas, que surgiu em meados da década de 1960 e apresenta desempenho muito estável. O samário-cobalto é particularmente adequado para a fabricação de motores em termos de propriedades magnéticas, mas devido ao seu alto preço, é usado principalmente na pesquisa e desenvolvimento de motores militares, como os de aviação, aeroespacial e armamento, e motores em áreas de alta tecnologia onde alto desempenho e preço não são os principais fatores.
NdFeB: O material magnético NdFeB é uma liga de neodímio, óxido de ferro, etc., também conhecida como aço magnético. Possui um produto de energia magnética e força coercitiva extremamente elevados. Ao mesmo tempo, as vantagens da alta densidade de energia tornam os materiais magnéticos permanentes NdFeB amplamente utilizados na indústria moderna e na tecnologia eletrônica, possibilitando a miniaturização, o alívio de peso e o afinamento de equipamentos como instrumentos, motores eletroacústicos, separação magnética e magnetização. Por conter grandes quantidades de neodímio e ferro, é fácil de enferrujar. A passivação química de superfícies é uma das melhores soluções atualmente.
Resistência à corrosão, temperatura máxima de operação, desempenho de processamento, formato da curva de desmagnetização,
e comparação de preços de materiais de ímãs permanentes comumente usados para motores (Figura)
2.A influência da forma e tolerância do aço magnético no desempenho do motor
1. Influência da espessura do aço magnético
Quando o circuito magnético interno ou externo é fixo, o entreferro diminui e o fluxo magnético efetivo aumenta com o aumento da espessura. A manifestação óbvia é que a velocidade em vazio diminui e a corrente em vazio diminui sob o mesmo magnetismo residual, e a eficiência máxima do motor aumenta. No entanto, também existem desvantagens, como o aumento da vibração de comutação do motor e uma curva de eficiência relativamente mais íngreme. Portanto, a espessura do aço magnético do motor deve ser a mais consistente possível para reduzir a vibração.
2. Influência da largura do aço magnético
Para ímãs de motores sem escovas com espaçamento próximo, a folga cumulativa total não pode exceder 0,5 mm. Se for muito pequena, não será instalada. Se for muito grande, o motor vibrará e reduzirá a eficiência. Isso ocorre porque a posição do elemento Hall que mede a posição do ímã não corresponde à posição real do ímã, e a largura deve ser consistente, caso contrário, o motor terá baixa eficiência e muita vibração.
Em motores com escovas, existe uma certa folga entre os ímãs, reservada para a zona de transição da comutação mecânica. Embora exista uma folga, a maioria dos fabricantes possui procedimentos rigorosos de instalação dos ímãs para garantir a precisão da instalação e a posição precisa do ímã do motor. Se a largura do ímã for maior que a largura do ímã, ele não será instalado; se for muito pequeno, o ímã ficará desalinhado, o motor vibrará mais e a eficiência será reduzida.
3. A influência do tamanho do chanfro do aço magnético e do não chanfro
Se o chanfro não for feito, a taxa de variação do campo magnético na borda do campo magnético do motor será grande, causando a pulsação do motor. Quanto maior o chanfro, menor a vibração. No entanto, o chanfro geralmente causa uma certa perda no fluxo magnético. Para algumas especificações, a perda de fluxo magnético é de 0,5 a 1,5% quando o chanfro é de 0,8. Para motores com escovas e baixo magnetismo residual, a redução adequada do tamanho do chanfro ajudará a compensar o magnetismo residual, mas a pulsação do motor aumentará. De modo geral, quando o magnetismo residual é baixo, a tolerância na direção do comprimento pode ser adequadamente ampliada, o que pode aumentar o fluxo magnético efetivo até certo ponto e manter o desempenho do motor basicamente inalterado.
3.Notas sobre motores de ímã permanente
1. Estrutura do circuito magnético e cálculo de projeto
Para explorar ao máximo as propriedades magnéticas de vários materiais de ímãs permanentes, especialmente as excelentes propriedades magnéticas dos ímãs permanentes de terras raras, e fabricar motores de ímãs permanentes com boa relação custo-benefício, não é possível simplesmente aplicar os métodos de cálculo de estrutura e projeto dos motores de ímãs permanentes tradicionais ou motores de excitação eletromagnética. Novos conceitos de projeto devem ser estabelecidos para reanalisar e aprimorar a estrutura do circuito magnético. Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de hardware e software de computador, bem como o aprimoramento contínuo de métodos modernos de projeto, como cálculo numérico de campo eletromagnético, projeto de otimização e tecnologia de simulação, e por meio dos esforços conjuntos das comunidades acadêmica e de engenharia de motores, avanços foram feitos na teoria de projeto, métodos de cálculo, processos estruturais e tecnologias de controle de motores de ímãs permanentes, formando um conjunto completo de métodos de análise e pesquisa e software de análise e projeto auxiliado por computador que combina cálculo numérico de campo eletromagnético e solução analítica de circuito magnético equivalente, e está sendo continuamente aprimorado.
2. Problema de desmagnetização irreversível
Se o projeto ou uso for inadequado, o motor de ímã permanente pode produzir desmagnetização irreversível, ou desmagnetização, quando a temperatura estiver muito alta (ímã permanente de NdFeB) ou muito baixa (ímã permanente de ferrite), sob a reação da armadura causada pela corrente de impacto ou sob vibração mecânica severa, o que reduzirá o desempenho do motor e até mesmo o tornará inutilizável. Portanto, é necessário estudar e desenvolver métodos e dispositivos adequados para que os fabricantes de motores verifiquem a estabilidade térmica dos materiais de ímã permanente e analisem as capacidades antidesmagnetização de diversas formas estruturais, para que as medidas correspondentes possam ser tomadas durante o projeto e a fabricação para garantir que o motor de ímã permanente não perca magnetismo.
3. Questões de custo
Como os ímãs permanentes de terras raras ainda são relativamente caros, o custo dos motores de ímãs permanentes de terras raras é geralmente maior do que o dos motores de excitação elétrica, o que precisa ser compensado por seu alto desempenho e economia nos custos operacionais. Em algumas ocasiões, como em motores de bobina móvel para unidades de disco de computador, o uso de ímãs permanentes de NdFeB melhora o desempenho, reduz significativamente o volume e a massa e reduz os custos totais. Ao projetar, é necessário comparar desempenho e preço com base em ocasiões e requisitos específicos de uso, além de inovar os processos estruturais e otimizar os projetos para reduzir custos.
Anhui Mingteng Equipamentos Eletromecânicos de Ímã Permanente Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/). A taxa de desmagnetização do aço magnético do motor de ímã permanente não é maior que um milésimo por ano.
O material magnético permanente do rotor do motor magnético permanente da nossa empresa utiliza NdFeB sinterizado de alta energia magnética e alta coercividade intrínseca, sendo as classes convencionais N38SH, N38UH, N40UH, N42UH, etc. Tomemos como exemplo a classe N38SH, comumente utilizada pela nossa empresa: 38- representa o produto máximo de energia magnética de 38MGOe; SH representa a resistência máxima à temperatura de 150°C. UH possui uma resistência máxima à temperatura de 180°C. A empresa projetou ferramentas e guias profissionais para a montagem de aço magnético, e analisou qualitativamente a polaridade do aço magnético montado com meios razoáveis, de modo que o valor relativo do fluxo magnético de cada ranhura do aço magnético seja próximo, o que garante a simetria do circuito magnético e a qualidade da montagem do aço magnético.
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Horário da publicação: 30 de agosto de 2024