Двигатель с постоянными магнитами
Двигатель с постоянными магнитами — это тип электродвигателя используются постоянные магниты , в котором для возбуждения поля и намотанный якорь. Постоянные магниты могут быть стационарными или вращающимися; внутри или снаружи якоря для машины с радиальным потоком или в слое якоря для топологии с осевым потоком. На схеме показан двигатель с постоянными магнитами со стационарными магнитами вне щеточного якоря (тип, обычно используемый в игрушечных игровых автоматах).
Приложения
[ редактировать ]Электромобили
[ редактировать ]Этот тип двигателя используется в GM. компании Chevrolet Bolt [1] и Volt , и задний привод Tesla Model 3 . [2] В последних моделях Tesla с двумя двигателями используется комбинация двигателя с постоянными магнитами сзади и традиционного асинхронного двигателя спереди. [3]
Двигатели с постоянными магнитами более эффективны, чем асинхронные двигатели или двигатели с обмотками возбуждения, для некоторых высокоэффективных применений, таких как электромобили. Главный конструктор двигателей Tesla, обсуждая эти преимущества, сказал:
Хорошо известно, что машины с постоянными магнитами имеют преимущество предварительного возбуждения от магнитов, и поэтому у вас есть некоторый выигрыш в эффективности. Асинхронные машины имеют идеальную регулировку потока, поэтому вы можете оптимизировать свою эффективность. Оба имеют смысл для одноступенчатой трансмиссии с регулируемой скоростью в качестве привода автомобилей. Итак, как вы знаете, в нашей Модели 3 теперь есть машина с постоянным магнитом. Это связано с тем, что с точки зрения производительности и эффективности машина с постоянными магнитами лучше решает нашу функцию минимизации затрат и является оптимальной для диапазона и целевых показателей производительности. В количественном отношении разница заключается в том, что определяет будущее машины, и именно компромисс между стоимостью двигателя, запасом хода и стоимостью батареи определяет, какая технология будет использоваться в будущем. [2]
Типы
[ редактировать ]- Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (питаются постоянным током )
- Синхронные двигатели с постоянными магнитами (питание переменным током )
Двигатели с постоянными магнитами делятся на два основных типа. Двигатели с поверхностными постоянными магнитами (SPM) и двигатели с внутренними постоянными магнитами (IPM). Основное отличие состоит в том, что двигатели SPM размещают магниты снаружи ротора, а двигатели IPM размещают магниты внутри двигателя. Преимущества внутренних магнитов включают структурную целостность и снижение обратной ЭДС. Поскольку для размещения магнитов в роторе необходимо вырезать отверстия, это создает области с высоким сопротивлением, что позволяет автопроизводителям получить некоторые преимущества реактивных двигателей, а также двигателей с постоянными магнитами. [4]
Обратная электродвижущая сила
[ редактировать ]Обратная электродвижущая сила (ЭДС) также известна как противоэлектродвижущая сила. Это напряжение, которое возникает в электродвигателях из-за относительного движения между обмотками статора и магнитным полем ротора. Геометрия ротора определяет форму сигнала . [4]
Этот эффект не является уникальным для двигателей с постоянными магнитами. От этого страдают и асинхронные двигатели. Однако в асинхронном двигателе поля ротора уменьшаются по мере увеличения скорости. Двигатель с постоянными магнитами генерирует собственное постоянное поле. Это означает, что по мере увеличения скорости напряжение на статоре индуцируется линейно со скоростью. Это напряжение отрицательно по отношению к напряжению, подаваемому на двигатель, и, следовательно, является потерей для всей системы. [4]
Материалы для двигателей с постоянными магнитами
[ редактировать ]множество различных материалов с постоянными магнитами Для привода двигателей с постоянными магнитами используется , которые различаются в зависимости от множества факторов, в первую очередь необходимой магнитной силы и стоимости. Четыре основных постоянных магнитных материала, которые используются в подавляющем большинстве промышленных применений, — это неодим, железо, бор (NdFeB), самарий-кобальт (SmCo), алюминий-никель-кобальт (Alnico) и карбонат стронция-оксид железа (также известный как «керамический магнит»). »); кроме того, продолжаются значительные исследования в области материаловедения по разработке дополнительных нередкоземельных (NRE) постоянных магнитных материалов.
NdFeB Магниты
[ редактировать ]NdFeB является самым прочным из всех материалов с постоянными магнитами, используемых в промышленности, и широко используется во многих типах двигателей с постоянными магнитами, в том числе в двигателях шпинделя дисковых приводов, двигателях электромобилей, генераторах переменного тока и датчиках, электроинструментах, генераторах электричества и магнитно-резонансных устройствах . визуализация (МРТ) . [5] NdFeB имеет температуру Кюри около 320 °C, что значительно выше комнатной температуры, а также очень высокую остаточную намагниченность , коэрцитивную силу и энергетический продукт , которые обеспечивают ему превосходные характеристики в приложениях с постоянными магнитами. [6] Наиболее распространенным методом производства магнитов NdFeB является спекание легированных неодима, железа и бора, обычно номинального состава примерно Nd14Fe78B8 (ат%); спекание способствует росту фазы Nd2Fe14B, которая отвечает за характерное сильное магнитное поведение, наблюдаемое в магнитах NdFeB. Однако это также приводит к коррозионной уязвимости магнитов NdFeB вдоль спеченных границ зерен, что требует смягчения за счет добавления металлических поверхностных покрытий на основе меди-никеля или алюминия. [7] [8] Кроме того, высокая стоимость, редкость и радиоактивные отходы, связанные с производством металлического неодима в качестве сырья, означают, что магниты NdFeB очень дороги с финансовой и экологической точки зрения. [9]
Магниты СмКо
[ редактировать ]SmCo представляет собой сильный постоянный магнитный материал, сравнимый по силе с NdFeB, и используется во многих областях применения, включая высокопроизводительные автомобильные электродвигатели, ЯМР-спектрометры , турбомашины и подшипники качения . [10] В то время как магниты NdFeB обладают превосходным магнитным полем, магниты SmCo имеют более высокую коэрцитивную силу (т.е. меньшую уязвимость к размагничиванию) и лучшую коррозионную стойкость. Кроме того, магниты SmCo имеют температуру Кюри, превышающую 700 °C, и превосходную температурную стабильность по сравнению с NdFeB, что делает их более оптимальными для двигателей с постоянными магнитами, работающих при высоких температурах или криогенных условиях. [11] [12] Однако магниты SmCo содержат более высокую долю редкоземельных металлов, чем магниты NdFeB, что делает их еще более дорогими и подверженными дефициту и экологическим проблемам при производстве; Таким образом, магниты SmCo в настоящее время обычно используются только в особых случаях, когда их особые преимущества по температуре и коэрцитивной силе значительны.
Алнико — это постоянный магнитный материал NRE, используемый в двигателях с постоянными магнитами, таких как магнитные датчики скорости и расхода, электрические генераторы и потребительские товары. Эти магниты обладают более слабыми характеристиками по сравнению с аналогами из NdFeB и SmCo, но при этом сохраняют высокую коэрцитивную силу и намного дешевле из-за отсутствия в них редкоземельных металлов. Кроме того, высокое содержание алюминия и железа в этих магнитах придает им превосходную коррозионную стойкость, электропроводность и высокотемпературную стабильность; Алнико имеет одну из самых высоких температур Кюри среди всех известных магнитных материалов — почти 800°C. [13] Несмотря на это, сравнительно низкая магнитная сила Алнико означает, что он является одним из постоянных магнитов, наиболее подверженных размагничиванию, особенно при криогенных температурах, когда составляющее его ферритное железо может перейти в сверхпроводимость . [14]
Керамические магниты
[ редактировать ]Карбонат стронция и оксид железа, также известный как «керамический» или «ферритовый» магнит, представляет собой постоянный магнитный материал NRE, используемый в двигателях с постоянными магнитами, таких как электроинструменты, промышленные процессы магнитной сепарации и автомобильные датчики. Керамические магниты значительно слабее, чем SmCo или NdFeB, но, как правило, сильнее, чем магниты Alnico, а также более устойчивы к коррозии и имеют более низкую стоимость. [15] Однако керамические магниты обладают меньшей температурной стабильностью по сравнению с алнико и относительно легко теряют намагниченность при воздействии экстремальных температур, как горячих, так и холодных, с гораздо более низкой температурой Кюри около 450 ° C и восприимчивостью к тем же явлениям размагничивания, вызванным ферритом, что и алнико. в криогенных условиях. [14]
Новые материалы для двигателей с постоянными магнитами
[ редактировать ]Разработка нередкоземельных, недорогих, механически прочных и высокопрочных постоянных магнитных материалов является активной и постоянной областью исследований. Некоторые известные системы материалов, представляющие текущий интерес, включают тройные сплавы железо-кобальт-молибден, [16] наноструктурированные сплавы кобальт-платина, [17] и упорядоченные железо-никелевые сплавы метеорного типа . [18]
Проблемы окружающей среды и поставок
[ редактировать ]Производство редкоземельных элементов приводит к образованию отходов с повышенной радиоактивностью по сравнению с естественной радиоактивностью руд (отходы, которые Агентство по охране окружающей среды США называет TENORM, или технологически улучшенные радиоактивные материалы естественного происхождения). Китай, крупнейший производитель неодима, ограничил поставки в Японию в 2010 году во время спора по поводу спорного права собственности на острова. Китай ввел строгие экспортные квоты на несколько редкоземельных металлов, заявив, что хочет контролировать загрязнение и сохранить ресурсы. Квоты были отменены в 2015 году. Хотя неодима относительно много, мировой спрос на неодим превысил производство примерно на 10% в 2017 году. [3]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Привод и аккумулятор в основе Chevrolet Bolt EV , 11 января 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Ведущий инженер-двигатель Tesla рассказывает о разработке машины с постоянными магнитами для модели 3 , 27 февраля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б «Смена электродвигателя Tesla подстегнет спрос на редкоземельный неодим» . Рейтер . 13 марта 2018 г. Проверено 24 августа 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с «Что такое двигатели с постоянными магнитами» . 31 января 2017 г. Проверено 16 апреля 2022 г.
- ^ Браун, Дэвид; Ма, Бао-Мин; Чен, Чжунминь (1 августа 2002 г.). «Разработки в области обработки и свойств постоянных магнитов типа NdFeb» . Журнал магнетизма и магнитных материалов . 248 (3): 432–440. Бибкод : 2002JMMM..248..432B . дои : 10.1016/S0304-8853(02)00334-7 . ISSN 0304-8853 .
- ^ Сагава, М.; Фудзимура, С.; Тогава, Н.; Ямамото, Х.; Мацуура, Ю. (15 марта 1984 г.). «Новый материал для постоянных магнитов на основе Nd и Fe (приглашен)» . Журнал прикладной физики . 55 (6): 2083–2087. Бибкод : 1984JAP....55.2083S . дои : 10.1063/1.333572 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Митчелл, П. (1990). «Защита от коррозии магнитов NdFeB». Транзакции IEEE по магнетизму . 26 (5): 1933–1935. Бибкод : 1990ITM....26.1933M . дои : 10.1109/20.104575 . S2CID 44434443 .
- ^ Мао, Шоудун; Ян, Хэнсю; Сун, Чжэньлунь; Ли, Цзиньлун; Ин, Хуаген; Сан, Кефей (01 мая 2011 г.). «Коррозионное поведение спеченного NdFeB, нанесенного на алюминиевое покрытие» . Коррозионная наука . 53 (5): 1887–1894. Бибкод : 2011Corro..53.1887M . дои : 10.1016/j.corsci.2011.02.006 . ISSN 0010-938X .
- ^ «Не такая уж «зеленая» технология: сложное наследие добычи редкоземельных металлов» . Гарвардское международное обозрение . 12 августа 2021 г. Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ Хоу, Д. (1991), Лонг, Гэри Дж.; Гранжан, Фернанде (ред.), «Обзор применения постоянных магнитов и потенциал высокоэнергетических магнитов» , Супермагниты, магнитотвердые материалы , Серия NATO ASI, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 585–616, doi : 10.1007/978- 94-011-3324-1_24 , ISBN 978-94-011-3324-1 , получено 27 ноября 2023 г.
- ^ «Сравнительное исследование тихоходного безпазового синхронного генератора с использованием постоянных магнитов SmCo и NdFeB» . дои : 10.1109/PQ.2014.6866821 . S2CID 44241309 . Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ Дж. Лю и М. Уолмер, «Проектирование с использованием высокоэффективных постоянных магнитов из редкоземельных металлов», представленное на 18-м международном семинаре по высокоэффективным магнитам и их применению, Анси, Франция, 2004 г.
- ^ Чжоу, Линь; Миллер, МК; Лу, Пин; Кэ, Лицинь; Скомски, Р.; Диллон, Х.; Син, Кью; Паласюк А.; Маккартни, MR; Смит, диджей; Константинидес, С.; МакКаллум, RW; Андерсон, IE; Антропов В.; Крамер, MJ (1 августа 2014 г.). «Архитектура и магнетизм Алнико» . Акта Материалия . 74 : 224–233. Бибкод : 2014AcMat..74..224Z . дои : 10.1016/j.actamat.2014.04.044 . ISSN 1359-6454 .
- ^ Jump up to: а б Сергеев В.; Булыгина, Т. (01.03.1969). «Магнитные свойства фаз сплава алнико и температурная нестабильность постоянных магнитов» . Журнал прикладной физики . 40 (3): 1307. Бибкод : 1969JAP....40.1307S . дои : 10.1063/1.1657643 . ISSN 0021-8979 .
- ^ А. Верма, О. П. Панди и П. Шарма, «Постоянный магнит на феррите стронция - обзор», Международный журнал инженерных и производственных наук, 2000.
- ^ Гао, ТР; Ву, YQ; Факлер, С.; Кержевский И.; Чжан, Ю.; Мехта, А.; Крамер, MJ; Такеучи, И. (14 января 2013 г.). «Комбинаторное исследование постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов: Магнитные и микроструктурные свойства тонких пленок Fe-Co-W» . Письма по прикладной физике . 102 (2): 022419. Бибкод : 2013ApPhL.102b2419G . дои : 10.1063/1.4775581 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Ли, Цзюньжуй, Шубхам; Пан, Юнг-Тин; Цзя, Юкай; Си, Чжэн, Хунхун; Чжоуян, Бо; Муццио, Мишель; Ю 2019 Инь , г. Чао январь ) , ( . .джоуль.2018.09.016 . ISSN 2542-4351
- ^ Куриченко Владислав Л.; Карпенков Дмитрий Ю.; Карпенков Алексей Юрьевич; Ляхова Марина Борисовна; Ховайло Владимир Владимирович (15 января 2019 г.). «Синтез фазы тетратенита FeNi методом химического осаждения» . Журнал магнетизма и магнитных материалов . Международная Балтийская конференция по магнетизму: фокус на функционализированных магнитных структурах для энергетики и биотехнологий. 470 : 33–37. arXiv : 2007.02177 . Бибкод : 2019JMMM..470...33K . дои : 10.1016/j.jmmm.2017.11.040 . ISSN 0304-8853 . S2CID 126306625 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Вавра, Крис (31 января 2017 г.). «Что такое двигатели с постоянными магнитами» . Техника управления . Проверено 24 января 2023 г.