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 đầu tiên trên thế giới phát hiện ra tính chất từ tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu và ứng dụng chúng vào thực tế. Hơn 2.000 năm trước, Trung Quốc đã sử dụng tính chất từ tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu để chế tạo la bàn, đóng vai trò to lớn trong lĩnh vực hàng hải, quân sự và các lĩnh vực khác, và trở thành một trong bốn phát minh vĩ đại của Trung Quốc cổ đại.
Động cơ đầu tiên trên thế giới xuất hiện vào những năm 1920 là động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường kích thích. Tuy nhiên, vật liệu nam châm vĩnh cửu được sử dụng vào thời điểm đó là magnetite tự nhiên (Fe3O4), có mật độ năng lượng từ rất thấp. Động cơ làm bằng nó có kích thước lớn và sớm được thay thế bằng động cơ kích thích điện.
Với sự phát triển nhanh chóng của nhiều loại động cơ và phát minh ra máy từ hóa dòng điện, con người đã tiến hành nghiên cứu sâu về cơ chế, thành phần và công nghệ sản xuất vật liệu từ vĩnh cửu và đã lần lượt phát hiện ra nhiều loại vật liệu từ vĩnh cửu như thép cacbon, thép vonfram (tích năng lượng từ cực đại khoảng 2,7 kJ/m3) và thép coban (tích năng lượng từ cực đại khoảng 7,2 kJ/m3).
Đặc biệt, sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu nhôm niken coban vào những năm 1930 (tích năng lượng từ cực đại có thể đạt tới 85 kJ/m3) và nam châm vĩnh cửu ferit vào những năm 1950 (tích năng lượng từ cực đại có thể đạt tới 40 kJ/m3) đã cải thiện đáng kể tính chất từ vài loại động cơ siêu nhỏ và nhỏ đã bắt đầu sử dụng kích thích nam châm vĩnh cửu. Công suất của động cơ nam châm vĩnh cửu dao động từ vài miliwatt đến hàng chục kilowatt. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất quân sự, công nghiệp và nông nghiệp và cuộc sống hàng ngày, và sản lượng của chúng đã tăng lên đáng kể.
Tương ứng, trong giai đoạn này, lý thuyết thiết kế, phương pháp tính toán, công nghệ từ hóa và chế tạo động cơ nam châm vĩnh cửu đã có những đột phá, hình thành nên một tập hợp các phương pháp phân tích và nghiên cứu được biểu diễn bằng phương pháp sơ đồ làm việc của nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu AlNiCo thấp (36-160 kA/m), mật độ từ dư của nam châm vĩnh cửu ferit không cao (0,2-0,44 T), điều này hạn chế phạm vi ứng dụng của chúng trong động cơ.
Mãi đến những năm 1960 và 1980, nam châm vĩnh cửu đất hiếm coban và nam châm vĩnh cửu neodymium sắt boron (gọi chung là nam châm vĩnh cửu đất hiếm) mới lần lượt ra đời. Các đặc tính từ tuyệt vời của chúng như mật độ từ dư cao, lực kháng từ cao, tích năng lượng từ cao và đường cong khử từ tuyến tính đặc biệt thích hợp để sản xuất động cơ, do đó đưa sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu vào một thời kỳ lịch sử mới.
1.Vật liệu từ vĩnh cửu
Vật liệu nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng trong động cơ bao gồm nam châm thiêu kết và nam châm liên kết, các loại chính là nhôm niken coban, ferit, samari coban, neodymium sắt boron, v.v.
Alnico: Vật liệu nam châm vĩnh cửu Alnico là một trong những vật liệu nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi sớm nhất và quy trình chế tạo cũng như công nghệ của nó tương đối hoàn thiện.
Ferrite vĩnh cửu: Vào những năm 1950, ferrite bắt đầu phát triển mạnh, đặc biệt là vào những năm 1970, khi ferrite stronti có lực kháng từ và hiệu suất năng lượng từ tốt được đưa vào sản xuất với số lượng lớn, nhanh chóng mở rộng việc sử dụng ferrite vĩnh cửu. Là vật liệu từ phi kim loại, ferrite không có nhược điểm là dễ bị oxy hóa, nhiệt độ Curie thấp và chi phí cao của vật liệu nam châm vĩnh cửu kim loại, vì vậy nó rất phổ biến.
Samari coban: Một vật liệu nam châm vĩnh cửu có tính chất từ tuyệt vời xuất hiện vào giữa những năm 1960 và có hiệu suất rất ổn định. Samari coban đặc biệt thích hợp để sản xuất động cơ về mặt tính chất từ, nhưng do giá thành cao nên chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển động cơ quân sự như hàng không, vũ trụ và vũ khí, và động cơ trong các lĩnh vực công nghệ cao, nơi hiệu suất cao và giá cả không phải là yếu tố chính.
NdFeB: Vật liệu từ NdFeB là hợp kim của neodymium, oxit sắt, v.v., còn được gọi là thép từ. Nó có tích năng lượng từ cực cao và lực kháng từ. Đồng thời, ưu điểm về mật độ năng lượng cao khiến vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại và công nghệ điện tử, giúp thu nhỏ, làm nhẹ và làm mỏng các thiết bị như dụng cụ, động cơ điện tử, tách từ và từ hóa. Vì chứa một lượng lớn neodymium và sắt nên dễ bị rỉ sét. Thụ động hóa bề mặt là một trong những giải pháp tốt nhất hiện nay.
Khả năng chống ăn mòn, nhiệt độ hoạt động tối đa, hiệu suất xử lý, hình dạng đường cong khử từ,
và so sánh giá của các vật liệu nam châm vĩnh cửu thường dùng cho động cơ (Hình)
2.Ảnh hưởng của hình dạng và dung sai thép từ đến hiệu suất động cơ
1. Ảnh hưởng của độ dày thép từ
Khi mạch từ bên trong hoặc bên ngoài được cố định, khe hở không khí giảm và từ thông hiệu dụng tăng khi độ dày tăng. Biểu hiện rõ ràng là tốc độ không tải giảm và dòng điện không tải giảm dưới cùng một từ tính dư, và hiệu suất tối đa của động cơ tăng. Tuy nhiên, cũng có những nhược điểm, chẳng hạn như độ rung chuyển mạch của động cơ tăng lên và đường cong hiệu suất của động cơ tương đối dốc hơn. Do đó, độ dày của thép từ động cơ phải nhất quán nhất có thể để giảm độ rung.
2.Ảnh hưởng của chiều rộng thép từ
Đối với nam châm động cơ không chổi than có khoảng cách gần, tổng khoảng cách tích lũy không được vượt quá 0,5 mm. Nếu quá nhỏ, sẽ không lắp đặt được. Nếu quá lớn, động cơ sẽ rung và giảm hiệu suất. Điều này là do vị trí của phần tử Hall đo vị trí của nam châm không tương ứng với vị trí thực tế của nam châm và chiều rộng phải nhất quán, nếu không động cơ sẽ có hiệu suất thấp và độ rung lớn.
Đối với động cơ chổi than, có một khoảng cách nhất định giữa các nam châm, được dành riêng cho vùng chuyển tiếp chuyển mạch cơ học. Mặc dù có một khoảng cách, hầu hết các nhà sản xuất đều có quy trình lắp đặt nam châm nghiêm ngặt để đảm bảo độ chính xác của việc lắp đặt nhằm đảm bảo vị trí lắp đặt chính xác của nam châm động cơ. Nếu chiều rộng của nam châm vượt quá, nó sẽ không được lắp đặt; nếu chiều rộng của nam châm quá nhỏ, nó sẽ khiến nam châm bị lệch, động cơ sẽ rung nhiều hơn và hiệu suất sẽ giảm.
3. Ảnh hưởng của kích thước vát thép từ và không vát
Nếu không vát mép, tốc độ thay đổi của từ trường tại rìa từ trường của động cơ sẽ lớn, gây ra dao động của động cơ. Vát mép càng lớn, độ rung càng nhỏ. Tuy nhiên, vát mép thường gây ra tổn thất từ thông nhất định. Đối với một số thông số kỹ thuật, tổn thất từ thông là 0,5~1,5% khi vát mép là 0,8. Đối với động cơ chổi than có từ tính dư thấp, việc giảm kích thước vát mép thích hợp sẽ giúp bù đắp từ tính dư, nhưng dao động của động cơ sẽ tăng lên. Nói chung, khi từ tính dư thấp, dung sai theo hướng chiều dài có thể được mở rộng thích hợp, có thể làm tăng từ thông hiệu dụng ở một mức độ nhất định và giữ cho hiệu suất của động cơ về cơ bản không thay đổi.
3. Lưu ý về động cơ nam châm vĩnh cửu
1. Cấu trúc mạch từ và tính toán thiết kế
Để phát huy hết tính chất từ của nhiều loại vật liệu nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là tính chất từ tuyệt vời của nam châm vĩnh cửu đất hiếm, và sản xuất động cơ nam châm vĩnh cửu tiết kiệm chi phí, không thể chỉ áp dụng các phương pháp tính toán kết cấu và thiết kế của động cơ nam châm vĩnh cửu truyền thống hoặc động cơ kích từ. Phải thiết lập các khái niệm thiết kế mới để phân tích lại và cải thiện 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, công nghệ thiết kế tối ưu hóa và mô phỏng, và thông qua những nỗ lực chung của cộng đồng học thuật và kỹ thuật động cơ, đã có những đột phá trong lý thuyết thiết kế, phương pháp tính toán, quy trình cấu trúc và công nghệ điều khiển của động cơ nam châm vĩnh cửu, hình thành nên một bộ hoàn chỉnh các phương pháp phân tích và nghiên cứu cũng như phần mềm phân tích và thiết kế hỗ trợ máy tính kết hợp tính toán số trường điện từ và giải pháp phân tích mạch từ tương đương, và đang được cải tiến liên tục.
2. Vấn đề khử từ không thể đảo ngược
Nếu thiết kế hoặc sử dụng không đúng cách, động cơ nam châm vĩnh cửu có thể tạo ra sự khử từ không thể đảo ngược hoặc khử từ khi nhiệt độ quá cao (nam châm vĩnh cửu NdFeB) hoặc quá thấp (nam châm vĩnh cửu ferit), dưới phản ứng của phần ứng do dòng điện tác động hoặc dưới rung động cơ học mạnh, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và thậm chí khiến động cơ không sử dụng được. Do đó, cần nghiên cứu và phát triển các phương pháp và thiết bị phù hợp với các nhà sản xuất động cơ để kiểm tra độ ổn định nhiệt của vật liệu nam châm vĩnh cửu và phân tích khả năng chống khử từ của các dạng cấu trúc khác nhau, để có thể thực hiện các biện pháp tương ứng trong quá trình thiết kế và sản xuất để đảm bảo rằng động cơ nam châm vĩnh cửu không bị mất từ tính.
3.Vấn đề chi phí
Do nam châm vĩnh cửu đất hiếm vẫn còn tương đối đắt nên chi phí của động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm thường 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 âm thanh cho ổ đĩa máy tính, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu NdFeB cải thiện hiệu suất, giảm đáng kể thể tích và khối lượng, đồng thời giảm tổng chi phí. Khi thiết kế, cần phải so sánh hiệu suất và giá cả dựa trên các dịp và yêu cầu sử dụng cụ thể, đồng thời đổi mới quy trình kết cấu và tối ưu hóa thiết kế để giảm chi phí.
Công ty TNHH Thiết bị cơ điện nam châm vĩnh cửu Anhui Mingteng (https://www.mingtengmotor.com/). Tốc độ khử từ của thép từ động cơ nam châm vĩnh cửu không quá một phần nghìn mỗi năm.
Vật liệu nam châm vĩnh cửu của rôto động cơ nam châm vĩnh cửu của công ty chúng tôi sử dụng sản phẩm năng lượng từ cao và lực kháng từ nội tại cao NdFeB thiêu kết, và các cấp thông thường là N38SH, N38UH, N40UH, N42UH, v.v. Lấy N38SH, một cấp thường được công ty chúng tôi sử dụng, làm ví dụ: 38- biểu thị sản phẩm năng lượng từ tối đa là 38MGOe; SH biểu thị khả năng chịu nhiệt tối đa là 150℃. UH có khả năng chịu nhiệt tối đa là 180℃. Công ty đã thiết kế các đồ gá và dụng cụ chuyên nghiệp để lắp ráp thép từ và phân tích định tính cực tính của thép từ đã lắp ráp bằng các phương tiện hợp lý, để giá trị từ thông tương đối của mỗi khe thép từ gần nhau, đảm bảo tính đối xứng của mạch từ và chất lượng lắp ráp thép từ.
Bản quyền: Bài viết này là bản in lại của số công khai WeChat “today's motor”, liên kết gốc https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg
Bài viết này không đại diện cho quan điểm của công ty chúng tôi. Nếu bạn có ý kiến hoặc quan điểm khác, vui lòng chỉnh sửa cho chúng tôi!
Thời gian đăng: 30-08-2024