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Motori a magneti permanenti si affidano a magneti permanenti per generare il loro campo magnetico. Non richiedono alcuna bobina di eccitazione o corrente. Questi motori sono noti per la loro efficienza e design semplice. Sono considerati motori a risparmio energetico. I motori a magnete permanente hanno subito un lungo processo di sviluppo che riflette grandi miglioramenti nel corso degli anni.
Processo di sviluppo
L'evoluzione del motore a magnete permanente è strettamente legata allo sviluppo di un materiale a magnete permanente. La Cina è diventata il primo paese a riconoscere e applicare praticamente le proprietà magnetiche di questo tipo di materiale. Oltre 2,000 anni fa, è stata realizzata l'applicazione di proprietà nelle applicazioni della bussola, di grande importanza, tra cui navigazione e strategia militare, tra le altre. Questa è considerata una delle quattro grandi invenzioni dell'antica Cina.
Il primo motore elettrico al mondo apparve nel 1820. Questo motore è un motore a magnete permanente. Il campo magnetico di questo tipo di motore è generato da magneti permanenti. Tuttavia, questa tecnologia è scomparsa per un po' di tempo e si è sviluppata ampiamente solo negli ultimi anni. Poiché il materiale a magnete permanente utilizzato a quel tempo era la magnetite naturale, la sua densità di energia magnetica era particolarmente bassa. Usandolo per realizzare motori, i motori diventano particolarmente grandi. A causa della loro scarsa praticità, i motori a magnete permanente sono stati lentamente sostituiti da motori a eccitazione elettrica. Anche il suo sviluppo si è bloccato per un po'. Tuttavia, alcuni scienziati ritengono che ci sia ancora bisogno di studiare i motori a magnete permanente, quindi mentre altri cambiano campo, un piccolo numero di persone rimane profondamente coinvolto in questo campo.
Mentre tutti i tipi di motori si sviluppavano rapidamente e contemporaneamente venivano inventati gli attuali magnetizzatori, i ricercatori studiavano ampiamente il meccanismo, la composizione e la tecnologia di produzione dei materiali a magneti permanenti. Di conseguenza, sono stati scoperti una serie di materiali magnetici permanenti come acciaio al carbonio, acciaio al tungsteno e acciaio al cobalto. In particolare, le proprietà magnetiche del magnete permanente AlNiCo inventato negli anni '1930 e del magnete permanente in ferrite inventato negli anni '1950 sono state notevolmente migliorate, quindi il metodo di eccitazione a magnete permanente è stato ampiamente adottato per vari micro e piccoli motori. I motori a magnete permanente sono ampiamente utilizzati nella produzione militare, industriale, agricola e nella vita quotidiana, con una potenza in uscita che va da pochi milliwatt a decine di kilowatt. Pertanto, la produzione di motori a magnete permanente è aumentata drasticamente. Durante questo periodo, anche la teoria della progettazione, i metodi di calcolo, la magnetizzazione e la tecnologia di produzione dei motori a magnete permanente sono stati notevolmente migliorati. Durante questo periodo, sono stati sviluppati una serie di metodi analitici e di ricerca, tra cui il metodo del diagramma di funzionamento del magnete permanente.
Tuttavia, a causa della bassa coercitività dei magneti permanenti AlNiCo e della bassa densità di rimanenza dei magneti permanenti in ferrite, il loro campo di applicazione nei motori era molto limitato. Fino agli anni '1960 e '1980, una serie di materiali magnetici permanenti in terre rare è uscita una dopo l'altra, tra cui magneti permanenti in terre rare cobalto e magneti permanenti in neodimio ferro boro. Hanno un'elevata densità di rimanenza e forza coercitiva, un elevato prodotto di energia magnetica e un'eccellente proprietà magnetica della curva di smagnetizzazione lineare, particolarmente adatta per la produzione di motori, promuovendo i motori a magneti permanenti in un nuovo periodo storico.
Caratteristiche dei motori a magneti permanenti
Rispetto ai tradizionali motori ad eccitazione elettrica, i motori a magneti permanenti includono:
L'ambito di applicazione è molto ampio. Si può dire che in tutti i settori, i dipartimenti aerospaziali includono la difesa nazionale, la produzione industriale e agricola e la vita delle persone. Di seguito sono riportate le caratteristiche principali di diversi motori a magnete permanente tipici e le loro applicazioni primarie.
Rispetto ai generatori convenzionali, il generatore a magnete permanente in terre rare non ha anelli di contatto e un dispositivo a spazzola. La struttura del generatore sincrono a magnete permanente è semplice e i tassi di guasto sono ridotti. Utilizzando magneti permanenti in terre rare, la densità magnetica del traferro può essere aumentata così come la velocità del motore verso il valore ottimale per migliorare il rapporto potenza-massa. I generatori a magnete permanente in terre rare sono impiegati quasi su tutti i moderni generatori aerospaziali e aeronautici. I loro prodotti tipici sono i generatori sincroni a magnete permanente in terre rare al cobalto da 150 kVA a 14 poli da 12 giri/min ~ 000 giri/min e da 21 kVA a 000 giri/min prodotti dalla General Electric Company degli Stati Uniti.
I generatori a magnete permanente sono utilizzati anche come eccitatori ausiliari per grandi generatori a turbina. Il più grande eccitatore ausiliario a magnete permanente in terre rare da 40 kVA a 160 kVA al mondo è stato sviluppato con successo per generatori a turbina da 200 MW ~ 600 MW negli anni '1980. Da allora, l'affidabilità del funzionamento delle centrali elettriche è stata notevolmente migliorata. Attualmente, vengono gradualmente promossi piccoli generatori azionati da motori a combustione interna per fonti di energia indipendenti, generatori a magnete permanente per veicoli e piccole turbine eoliche a magnete permanente azionate direttamente da ruote eoliche.
Applicazioni in vari campi
3. L'altra nuova area è l'uso di vari micromotori DC a magneti permanenti in terre rare per supportare nuovi sistemi di controllo della velocità a frequenza variabile per condizionatori d'aria e frigoriferi. I motori DC brushless a magneti permanenti in terre rare sono strumenti con potenze diverse e la domanda per tali motori è anch'essa elevata.
I materiali magnetici permanenti in terre rare hanno grandi vantaggi nel settore aerospaziale e sono di grande importanza per lo sviluppo dell'industria aerospaziale. I motori a magneti permanenti in terre rare sono stati utilizzati in alcuni campi dell'aerospaziale, come la regolazione della tensione del generatore e la protezione dai cortocircuiti, ma gli scienziati nel mondo credono unanimemente che il motore a magneti permanenti in terre rare sia una delle direzioni essenziali per lo sviluppo della prossima generazione di motori aerospaziali
Difficoltà tecniche affrontate dai motori a magneti permanenti
1. Prezzo elevato dei materiali a magneti permanenti
Il costo del materiale magnetico permanente spesso occupa oltre il 50% di tutti i costi dei materiali. Il materiale magnetico permanente necessita di risorse di terre rare. Nella maggior parte dei paesi le terre rare sono considerate una risorsa minerale estremamente scarsa con prezzi elevati e quantità bassa. La maggior parte dei prodotti di terre rare del mondo viene esportata dalla Cina.
2. Fenomeno di smagnetizzazione
I motori a magnete permanente sono sempre a rischio di smagnetizzazione irreversibile in condizioni sfavorevoli di alte temperature e frequenti vibrazioni meccaniche. I fattori che contribuiscono alla smagnetizzazione sono l'elevata temperatura di esercizio del motore, l'aumento della temperatura ambiente e l'accumulo di calore. Quando ciò accade, le prestazioni si riducono drasticamente e il motore diventa praticamente inutile. Per ridurre la degradazione magnetica durante il processo di lavorazione, una è ricercare e sviluppare una serie di materiali magnetici permanenti NdFeB ad alta resistenza alle alte temperature e ad alta magnetizzazione per risolvere il problema alla radice; l'altra è promuovere la tecnologia anti-smagnetizzazione. Ad esempio, può essere realizzato tramite rilevamento del carico, riduzione del carico massimo, miglioramento delle misure di dissipazione del calore e riduzione degli avviamenti frequenti.
3. Tecnologia di controllo
A causa del fenomeno del "magnete permanente" nel motore sincrono a magnete permanente, è molto difficile regolare il suo campo magnetico esternamente. Per le applicazioni del motore sincrono a magnete permanente al momento, l'idea di controllo non è quella di eseguire il controllo del campo magnetico, ma solo il controllo dell'indotto. Il motore sincrono a magnete permanente è controllato da dispositivi elettronici in coordinamento con il controllo del microcomputer. Ottenere una gestione raffinata nel controllo di posizione, velocità e coppia.
Oltre ai problemi discussi sopra, sorgono alcune difficoltà tecniche più critiche Motori sincroni a magneti permanenti che necessitano di ulteriore attenzione e innovazione. Tali difficoltà includono la suscettibilità alle interruzioni di corrente, l'incapacità di raggiungere velocità molto elevate e l'avvio problematico del motore. Affrontare tali problemi è importante per sbloccare il pieno potenziale dei PMSM e massimizzare la loro utilità in varie applicazioni.
La suscettibilità alle interruzioni di corrente è uno dei principali problemi tecnici che i PMSM devono affrontare. Mentre i motori a induzione continuano a funzionare in modo convenzionale senza alimentazione, i PMSM richiedono sempre una fonte di alimentazione esterna per l'eccitazione del campo magnetico. In caso di interruzione di corrente, i PMSM potrebbero semplicemente smettere di funzionare, interrompendo così processi e sistemi critici.
Alcuni dei metodi che possono essere utilizzati per ridurre l'impatto delle interruzioni di corrente sul funzionamento dei PMSM sono i sistemi di accumulo di energia e le alimentazioni di backup. L'integrazione di una batteria o di un condensatore con il sistema PMSM consentirà di sostenere l'alimentazione per un po' di tempo in caso di interruzione, garantendo un ulteriore funzionamento e riducendo il periodo di fermo. Inoltre, il rafforzamento dell'elettronica di potenza e degli algoritmi di controllo migliora la robustezza dei PMSM contro le fluttuazioni e le interruzioni di corrente.
Un'altra sfida tecnica associata ai PMSM è la loro limitazione intrinseca alle alte velocità. Mentre i PMSM hanno alcune caratteristiche favorevoli, come l'elevata densità di coppia e l'efficienza, potrebbero non essere in grado di funzionare a velocità ultra elevate a causa di fattori come l'inerzia del rotore e le forze centrifughe. Questa limitazione impone vincoli alle applicazioni che richiedono rapide accelerazioni e decelerazioni o funzionamento ad alta velocità.
Per affrontare questa sfida, si stanno prendendo in considerazione progetti innovativi di rotori, materiali avanzati e tecniche di raffreddamento innovative per migliorare le capacità di velocità dei PMSM. Con una costruzione del rotore ottimizzata, una riduzione dell'inerzia rotazionale consente agli ingegneri di aumentare ulteriormente la reattività e le prestazioni a velocità elevate. Inoltre, è possibile utilizzare un ulteriore sviluppo di materiali magnetici e sistemi di gestione termica per ridurre il surriscaldamento e gli stress meccanici durante il funzionamento ad alta velocità.
Un'altra sfida tecnica in PMSM è legata al suo processo di avvio. All'avvio, per applicazioni che richiedono precisione nel controllo e nella sincronizzazione, PMSM ha un'altra sfida tecnica. A differenza del motore a induzione, che si avvia automaticamente una volta collegato a una fonte di alimentazione, PMSM necessita di alcuni segnali di controllo esterni dall'esterno per avviare la rotazione. Ciò aumenterà la complessità del sistema, specialmente durante l'avvio del processo di funzionamento del motore.
Per superare questa sfida, i ricercatori stanno esplorando strategie di controllo innovative e tecniche di avvio di motori senza sensori per i PMSM. Implementando algoritmi avanzati e tecnologie di sensori, gli ingegneri possono sviluppare procedure di avvio robuste e affidabili che riducono al minimo la dipendenza da segnali di controllo esterni. Inoltre, i progressi nella progettazione e costruzione dei motori possono migliorare l’efficienza e l’efficacia delle sequenze di avvio del motore, semplificando le operazioni e migliorando le prestazioni complessive del sistema.
Siamo davvero convinti che, nonostante queste sfide tecniche, il miglioramento della tecnologia dei motori a magneti permanenti prevarrà. Considerando il ritmo con cui ricercatori e ingegneri propongono e testano idee innovative, ci si possono aspettare risultati notevoli nel superare alcune delle principali sfide tecniche e nell'aprire prospettive verso nuove applicazioni dei PMSM in diversi settori industriali.
Se i problemi di vulnerabilità alle interruzioni di corrente, le limitazioni nel raggiungimento di alte velocità e l'avvio problematico del funzionamento del motore fossero stati risolti, i PMSM renderebbero la vita e la produzione umana ancora più comode ed efficienti. Prevediamo facilmente, attraverso queste collaborazioni e la ricerca continua, che i motori PMSM svolgeranno presto un ruolo importante nell'alimentazione della tecnologia e delle industrie.
