Com o desenvolvimento de materiais de ímãs permanentes de terras raras na década de 1970, surgiram os motores de ímãs permanentes de terras raras. Os motores de ímãs permanentes utilizam ímãs permanentes de terras raras para excitação, e os ímãs permanentes podem gerar campos magnéticos permanentes após a magnetização. Seu desempenho de excitação é excelente, sendo superior aos motores de excitação elétrica em termos de estabilidade, qualidade e redução de perdas, o que abalou o mercado de motores tradicionais.

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas, o desempenho e a tecnologia dos materiais eletromagnéticos, especialmente os de terras raras, têm sido gradualmente aprimorados. Juntamente com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência, da tecnologia de transmissão de energia e da tecnologia de controle automático, o desempenho dos motores síncronos de ímã permanente está cada vez melhor.

Além disso, os motores síncronos de ímãs permanentes apresentam as vantagens de peso leve, estrutura simples, tamanho compacto, boas características e alta densidade de potência. Muitas instituições de pesquisa científica e empresas estão ativamente realizando pesquisa e desenvolvimento de motores síncronos de ímãs permanentes, e suas áreas de aplicação serão ainda mais expandidas.

1. Base de desenvolvimento do motor síncrono de ímã permanente

a.Aplicação de materiais de ímãs permanentes de terras raras de alto desempenho

Os materiais de ímãs permanentes de terras raras passaram por três estágios: SmCo5, Sm2Co17 e Nd2Fe14B. Atualmente, os materiais de ímãs permanentes representados por NdFeB tornaram-se o tipo mais amplamente utilizado de materiais de ímãs permanentes de terras raras devido às suas excelentes propriedades magnéticas. O desenvolvimento de materiais de ímãs permanentes impulsionou o desenvolvimento de motores de ímãs permanentes.

Comparado ao motor de indução trifásico tradicional com excitação elétrica, o ímã permanente substitui o polo de excitação elétrica, simplifica a estrutura, elimina o anel deslizante e as escovas do rotor, implementa a estrutura sem escovas e reduz o tamanho do rotor. Isso melhora a densidade de potência, a densidade de torque e a eficiência de trabalho do motor, tornando-o menor e mais leve, expandindo ainda mais seu campo de aplicação e promovendo o desenvolvimento de motores elétricos com maior potência.

b.Aplicação da nova teoria de controle

Nos últimos anos, os algoritmos de controle desenvolveram-se rapidamente. Entre eles, os algoritmos de controle vetorial resolveram, em princípio, o problema da estratégia de acionamento de motores CA, proporcionando aos motores CA um bom desempenho de controle. O surgimento do controle direto de torque simplifica a estrutura de controle e apresenta as características de forte desempenho do circuito para alterações de parâmetros e rápida velocidade de resposta dinâmica de torque. A tecnologia de controle indireto de torque resolve o problema da grande pulsação de torque do torque direto em baixa velocidade e melhora a velocidade e a precisão do controle do motor.

c.Aplicação de dispositivos eletrônicos de potência e processadores de alto desempenho

A moderna tecnologia de eletrônica de potência é uma interface importante entre a indústria da informação e as indústrias tradicionais, e uma ponte entre a corrente fraca e a corrente forte controlada. O desenvolvimento da tecnologia de eletrônica de potência permite a implementação de estratégias de controle de acionamentos.

Na década de 1970, surgiu uma série de inversores de uso geral, capazes de converter potência de frequência industrial em potência de frequência variável com frequência continuamente ajustável, criando assim condições para a regulação da velocidade de frequência variável da energia CA. Esses inversores possuem capacidade de partida suave após o ajuste da frequência, podendo a frequência aumentar de zero até a frequência definida a uma determinada taxa, e a taxa de aumento pode ser ajustada continuamente dentro de uma ampla faixa, resolvendo o problema de partida de motores síncronos.

2. Status de desenvolvimento de motores síncronos de ímã permanente no país e no exterior

O primeiro motor da história foi um motor de ímã permanente. Naquela época, o desempenho dos materiais de ímã permanente era relativamente baixo, e a força coercitiva e a remanência dos ímãs permanentes eram muito baixas, então eles foram logo substituídos por motores elétricos de excitação.

Na década de 1970, os materiais de ímãs permanentes de terras raras, representados pelo NdFeB, apresentavam grande força coercitiva, remanência, forte capacidade de desmagnetização e grande produto de energia magnética, o que fez com que os motores síncronos de ímãs permanentes de alta potência surgissem no cenário histórico. Atualmente, a pesquisa sobre motores síncronos de ímãs permanentes está se tornando cada vez mais madura e se desenvolvendo em direção a alta velocidade, alto torque, alta potência e alta eficiência.

Nos últimos anos, com o forte investimento de acadêmicos nacionais e do governo, os motores síncronos de ímã permanente desenvolveram-se rapidamente. Com o desenvolvimento da tecnologia de microcomputadores e da tecnologia de controle automático, os motores síncronos de ímã permanente têm sido amplamente utilizados em diversos campos. Devido ao progresso da sociedade, as necessidades das pessoas por motores síncronos de ímã permanente tornaram-se mais rigorosas, levando os motores de ímã permanente a se desenvolverem em direção a uma faixa de regulagem de velocidade maior e controle de maior precisão. Devido ao aprimoramento dos processos de produção atuais, materiais de ímã permanente de alto desempenho foram ainda mais desenvolvidos. Isso reduz significativamente seu custo e gradualmente o aplica a diversas áreas da vida.

3. Tecnologia atual

a. Tecnologia de projeto de motor síncrono de ímã permanente

Comparados com motores de excitação elétrica comuns, os motores síncronos de ímã permanente não têm enrolamentos de excitação elétrica, anéis coletores e gabinetes de excitação, o que melhora muito não apenas a estabilidade e a confiabilidade, mas também a eficiência.

Entre eles, os motores de ímã permanente integrados têm as vantagens de alta eficiência, alto fator de potência, alta densidade de potência unitária, forte capacidade de expansão de velocidade magnética fraca e rápida velocidade de resposta dinâmica, tornando-os uma escolha ideal para acionamento de motores.

Ímãs permanentes fornecem todo o campo magnético de excitação dos motores de ímãs permanentes, e o torque de cogging aumentará a vibração e o ruído do motor durante a operação. O torque de cogging excessivo afetará o desempenho em baixa velocidade do sistema de controle de velocidade do motor e o posicionamento de alta precisão do sistema de controle de posição. Portanto, ao projetar o motor, o torque de cogging deve ser reduzido ao máximo por meio da otimização do motor.

De acordo com pesquisas, os métodos gerais para reduzir o torque de cogging incluem a alteração do coeficiente do arco polar, a redução da largura da ranhura do estator, a adequação da ranhura de inclinação e da ranhura polar, a alteração da posição, tamanho e formato do polo magnético, etc. No entanto, deve-se observar que a redução do torque de cogging pode afetar outros desempenhos do motor, como a redução correspondente do torque eletromagnético. Portanto, ao projetar, vários fatores devem ser equilibrados o máximo possível para atingir o melhor desempenho do motor.

b.Tecnologia de simulação de motor síncrono de ímã permanente

A presença de ímãs permanentes em motores de ímãs permanentes dificulta o cálculo de parâmetros pelos projetistas, como o coeficiente de fluxo de fuga em vazio e o coeficiente de arco polar. Geralmente, softwares de análise de elementos finitos são utilizados para calcular e otimizar os parâmetros de motores de ímãs permanentes. Softwares de análise de elementos finitos podem calcular os parâmetros do motor com muita precisão e são muito confiáveis ​​para analisar o impacto dos parâmetros do motor no desempenho.

O método de cálculo de elementos finitos torna mais fácil, rápido e preciso o cálculo e a análise do campo eletromagnético de motores. Este é um método numérico desenvolvido com base no método das diferenças e tem sido amplamente utilizado em ciência e engenharia. Utiliza métodos matemáticos para discretizar alguns domínios de solução contínua em grupos de unidades e, em seguida, interpolar em cada unidade. Dessa forma, forma-se uma função de interpolação linear, ou seja, simula-se e analisa-se uma função aproximada utilizando elementos finitos, o que nos permite observar intuitivamente a direção das linhas do campo magnético e a distribuição da densidade do fluxo magnético dentro do motor.

c.Tecnologia de controle de motor síncrono de ímã permanente

A melhoria do desempenho dos sistemas de acionamento de motores também é de grande importância para o desenvolvimento do campo do controle industrial. Isso permite que o sistema seja acionado com o melhor desempenho. Suas características básicas se refletem na baixa velocidade, especialmente em casos de partida rápida, aceleração estática, etc., podendo gerar um alto torque; e, em altas velocidades, pode atingir um controle de velocidade de potência constante em uma ampla faixa. A Tabela 1 compara o desempenho de vários motores principais.

Como pode ser observado na Tabela 1, os motores de ímã permanente apresentam boa confiabilidade, ampla faixa de velocidade e alta eficiência. Se combinados com o método de controle correspondente, todo o sistema do motor pode atingir o melhor desempenho. Portanto, é necessário selecionar um algoritmo de controle adequado para obter uma regulação de velocidade eficiente, de modo que o sistema de acionamento do motor possa operar em uma faixa de regulação de velocidade relativamente ampla e com potência constante.

O método de controle vetorial é amplamente utilizado no algoritmo de controle de velocidade de motores de ímã permanente. Possui ampla faixa de regulagem de velocidade, alta eficiência, alta confiabilidade, boa estabilidade e bons benefícios econômicos. É amplamente utilizado em acionamentos de motores, transporte ferroviário e servomecanismos de máquinas-ferramenta. Devido aos diferentes usos, a estratégia de controle vetorial adotada atualmente também é diferente.

4. Características do motor síncrono de ímã permanente

O motor síncrono de ímã permanente possui uma estrutura simples, baixas perdas e alto fator de potência. Comparado ao motor de excitação elétrica, por não possuir escovas, comutadores e outros dispositivos, não requer corrente de excitação reativa, o que reduz as perdas de corrente e resistência do estator, aumenta a eficiência, aumenta o torque de excitação e melhora o desempenho do controle. No entanto, existem desvantagens, como alto custo e dificuldade de partida. Devido à aplicação da tecnologia de controle em motores, especialmente a aplicação de sistemas de controle vetorial, os motores síncronos de ímã permanente podem alcançar ampla faixa de regulação de velocidade, resposta dinâmica rápida e controle de posicionamento de alta precisão, o que atrairá mais pessoas para pesquisas aprofundadas.

5. Características técnicas do motor síncrono de ímã permanente Anhui Mingteng

a. O motor possui alto fator de potência e alto fator de qualidade da rede elétrica. Não é necessário compensador de fator de potência, e a capacidade do equipamento da subestação pode ser totalmente utilizada;

b. O motor de ímã permanente é excitado por ímãs permanentes e opera de forma síncrona. Não há pulsação de velocidade e a resistência da tubulação não aumenta ao acionar ventiladores e bombas;

c. O motor de ímã permanente pode ser projetado com alto torque de partida (mais de 3 vezes) e alta capacidade de sobrecarga, conforme necessário, resolvendo assim o fenômeno de "cavalo grande puxando carroça pequena";

d. A corrente reativa de um motor assíncrono comum é geralmente cerca de 0,5 a 0,7 vezes a corrente nominal. O motor síncrono de ímã permanente Mingteng não requer corrente de excitação. A diferença entre a corrente reativa do motor de ímã permanente e do motor assíncrono é de cerca de 50%, e a corrente operacional real é cerca de 15% menor que a do motor assíncrono;

e. O motor pode ser projetado para partida direta, e as dimensões externas de instalação são as mesmas dos motores assíncronos amplamente utilizados atualmente, que podem substituir totalmente os motores assíncronos;

f. Adicionar um driver pode obter partida suave, parada suave e regulação de velocidade contínua, com boa resposta dinâmica e efeito de economia de energia ainda mais aprimorado;

g. O motor possui muitas estruturas topológicas, que atendem diretamente aos requisitos fundamentais dos equipamentos mecânicos em uma ampla faixa e sob condições extremas;

h. Para melhorar a eficiência do sistema, encurtar a cadeia de transmissão e reduzir os custos de manutenção, motores síncronos de ímã permanente de acionamento direto de alta e baixa velocidade podem ser projetados e fabricados para atender aos requisitos mais elevados dos usuários.

Anhui Mingteng Máquinas Magnéticas Permanentes e Equipamentos Elétricos Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) foi fundada em 2007. É uma empresa de alta tecnologia especializada em pesquisa e desenvolvimento, produção e vendas de motores síncronos de ímã permanente de ultra-alta eficiência. A empresa utiliza teoria moderna de projeto de motores, software de projeto profissional e programa de projeto de motores de ímã permanente desenvolvido por ela mesma para simular o campo eletromagnético, o campo de fluidos, o campo de temperatura, o campo de tensões, etc. do motor de ímã permanente, otimizar a estrutura do circuito magnético, melhorar o nível de eficiência energética do motor e, fundamentalmente, garantir o uso confiável do motor de ímã permanente.

Direitos autorais: Este artigo é uma reimpressão do número público do WeChat “Motor Alliance”, o link originalhttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

Este artigo não representa a visão da nossa empresa. Se você tiver opiniões ou pontos de vista diferentes, corrija-nos!