Nuolatinio magneto nuolatinės srovės (NMNS) variklis yra nuolatinės srovės variklis, kuris naudoja nuolatinius magnetus kaip magnetinio lauko šaltinį. Šis variklis išsiskiria dideliu efektyvumu, patikimumu ir kompaktiškumu, todėl yra plačiai naudojamas įvairiose srityse, nuo pramonės iki buitinės technikos.
Nuolatinio Magneto Nuolatinės Srovės (NMNS) Variklio Sandara ir Veikimo Principas
Nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklis daugiausia sudarytas iš statoriaus, rotoriaus, šepečių ir komutatoriaus. Statorius paprastai yra sudarytas iš nuolatinio magneto, sukuriančio magnetinį lauką. Rotorius sudarytas iš armatūros apvijos, geležinės šerdies ir besisukančio veleno. Šepečiai ir komutatorius naudojami srovės krypčiai armatūros apvijoje keisti, kai rotorius sukasi, kad variklis galėtų veikti toliau. Šepečiai naudojami srovei perduoti komutatoriui.
Veikimo Principas
Nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklio veikimo principas grindžiamas elektromagnetinės indukcijos dėsniu. Kai srovė praeina per variklio armatūros apviją rotoriuje, ant jos susidaro magnetinis laukas. Šis rotoriaus magnetinis laukas sąveikauja su pastoviu magnetiniu lauku, kurį sukuria statoriaus nuolatiniai magnetai. Dėl šios sąveikos atsiranda traukos ir stūmos jėgos, verčiančios rotorių suktis.
NMNS Variklių Charakteristikos
Privalumai
Nuolatinio magneto nuolatinės srovės varikliai pasižymi šiomis pagrindinėmis savybėmis:
- Didelis efektyvumas: Kadangi magnetinį lauką užtikrina nuolatinis magnetas, nereikia jokios sužadinimo srovės, o tai sumažina energijos nuostolius. Be to, jo struktūra yra gana paprasta, be sudėtingos sužadinimo sistemos, kas dar labiau pagerina efektyvumą.
- Geras greičio reguliavimo našumas: Keičiant variklio įėjimo įtampą arba reguliuojant armatūros varžą, galima tiksliai reguliuoti variklio greitį. Tai leidžia varikliui atitikti skirtingų taikymo scenarijų greičio reikalavimus tam tikrame diapazone.
- Didelis paleidimo momentas: Užvedimo momentu variklis gali greitai generuoti didelį sukimo momentą. Tai ypač tinka progoms, kai reikia greito užvedimo ir įsibėgėjimo, pavyzdžiui, elektrinėms transporto priemonėms ar kranams.
- Mažas dydis ir lengvas svoris: Dėl didelio nuolatinių magnetų magnetinio lauko stiprumo, nedideliame tūryje gali būti sukurtas didelis sukimo momentas, todėl variklis tampa kompaktiškesnis ir lengviau montuojamas bei naudojamas.
- Puikus stabilumas: Kadangi magnetinį lauką sukuria nuolatiniai magnetai, variklio veikimui neturi įtakos išoriniai galios svyravimai. Tai reiškia, kad variklis ilgą laiką gali stabiliai veikti, o jo veikimas išlieka pastovus keičiant temperatūrą ar apkrovos svyravimus.
- Maža priežiūra: Dėl paprasto nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklių projektavimo ir išorinio maitinimo šaltinio trūkumo magnetiniam laukui tiekti, jiems reikia palyginti mažai priežiūros.
- Dideli valdymo pranašumai: Pakoreguojant įvesties įtampos ar impulsų pločio moduliacijos (PWM) signalą, variklio greitį ir sukimo momentą galima tiksliai valdyti, pritaikant jį prie skirtingų apkrovos ir greičio reikalavimų.
Trūkumai
Tačiau nuolatinio magneto nuolatinės srovės varikliai taip pat turi tam tikrų trūkumų:
- Magnetinio lauko silpnėjimas: Nuolatinių magnetų magnetinio lauko stiprumas laikui bėgant palaipsniui silpsta, o tai gali turėti įtakos variklio veikimui ir ilgaamžiškumui.
- Kibirkštys ir elektromagnetiniai trukdžiai: Varikliui dirbant dideliu greičiu, tarp šepečių ir komutatoriaus kils kibirkštys. Tai ne tik sumažina variklio efektyvumą, bet ir gali sukelti elektromagnetinius trukdžius supančiai aplinkai.
NMNS Variklių Palyginimas su Sužadinimo Varikliais
Tarp nuolatinių magneto nuolatinės srovės variklių ir elektrinio sužadinimo nuolatinės srovės variklių (dar vadinamų sužadinimo varikliais) yra reikšmingų skirtumų dizaino, darbo principo ir taikymo srityse:
- Magnetinio lauko šaltinis:
- Sužadinimo nuolatinės srovės variklis: Naudoja išorinį maitinimo šaltinį, kad užtikrintų magnetinį lauką statoriui, kurį sukuria srovė apvijoje (ritėje).
- Nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklis: Magnetinį lauką sukuria nuolatiniai magnetai statoriuje, nereikalaujant sužadinimo srovės.
- Efektyvumas:
- Nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklis: Turi didesnį efektyvumą, nes jam nereikia papildomos energijos suvartojimo, kad būtų galima generuoti magnetinį lauką, ir turi mažiau vidinių trinties nuostolių.
- Sužadinimo nuolatinės srovės variklis: Dėl energijos nuostolių sužadinimo apvijoje efektyvumas yra mažesnis.
- Kaina:
- Nuolatinio magneto nuolatinės srovės variklis: Nuolatinių magnetų naudojimas reiškia, kad pradinės pirkimo išlaidos gali būti šiek tiek didesnės, tačiau mažas energijos suvartojimas ir didelis efektyvumas ilgalaikiu naudojimu tai kompensuoja.
- Sužadinimo nuolatinės srovės variklis: Dėl papildomos sužadinimo sistemos ir valdymo įtaiso poreikio, bendros išlaidos gali būti didesnės.
Apibendrinant, nuolatinio magneto nuolatinės srovės varikliai daugeliu aspektų yra pranašesni už sužadinimo variklius, ypač mažoje įrangoje, efektyvume ir supaprastintoje struktūroje.
Nuolatinių Magnetų Variklių Istorija ir Plėtra
Nuolatinių magnetų variklių kūrimas yra glaudžiai susijęs su nuolatinių magnetų medžiagų kūrimu. Jau prieš du tūkstančius metų Kinijoje nuolatinio magneto medžiagos buvo naudojamos kompasams gaminti, suvaidinusiems didžiulį vaidmenį navigacijoje ir karyboje, tapdami vienu iš keturių didžiųjų senovės išradimų.
Pirmasis pasaulyje variklis, pasirodęs 1820-aisiais, buvo nuolatinio magneto variklis su nuolatinio magneto generuojamu sužadinimo magnetiniu lauku. Tačiau tuo metu naudojama nuolatinio magneto medžiaga buvo natūralus magnetitas (Fe₃O₄), kurio magnetinės energijos tankis buvo labai mažas, o iš jo pagamintas variklis buvo didelio tūrio, todėl netrukus jį pakeitė elektrinio žadinimo variklis.
Sparčiai tobulėjant įvairiems varikliams ir išradus srovės magnetizatorius, žmonės atliko nuodugnius nuolatinių magnetų medžiagų mechanizmo, sudėties ir gamybos technologijos tyrimus. Iš eilės buvo atrastas anglinis plienas ir volframo plienas (didžiausias magnetinės energijos produktas yra apie 2,7 kJ/m³), kobalto plienas (didžiausias magnetinės energijos produktas yra apie 7,2 kJ/m³) ir kitos nuolatinio magneto medžiagos.
Ypač svarbūs buvo AlNiCo nuolatiniai magnetai, pasirodę XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje (maksimalus magnetinės energijos produktas gali siekti 85 kJ/m³), ir ferito nuolatiniai magnetai, atsiradę šeštajame dešimtmetyje (maksimalus magnetinės energijos produktas dabar gali siekti 40 kJ/m³). Šių medžiagų atsiradimas ir tobulėjimas leido plačiai naudoti nuolatinio magneto sužadinimą įvairiuose mikro ir mažuose varikliuose. Nuolatinių magnetų variklių galia varijuoja nuo kelių milivatų iki net kelių dešimčių kilovatų, ir jie plačiai naudojami karinėje, pramoninėje ir žemės ūkio gamyboje bei kasdieniame gyvenime.
Tačiau AlNiCo nuolatinių magnetų koercyvumas yra mažas (36-160 kA/m), o ferito nuolatinių magnetų liekanos tankis nėra didelis (0,2-0,44 T), o tai ribojo jų panaudojimą tam tikruose varikliuose.
Iki septintojo ir devintojo dešimtmečio vienas po kito pasirodė retųjų žemių kobalto nuolatiniai magnetai ir neodimio geležies boro nuolatiniai magnetai (abu kartu vadinami retųjų žemių nuolatiniais magnetais). Šios medžiagos pasižymi dideliu išliekamumo tankiu, didele koercicija, dideliu magnetinės energijos produktu ir linijine išmagnetinimo kreive. Šios puikios magnetinės savybės ypač tinka elektros variklių gamybai, todėl nuolatinių magnetų variklių kūrimas įžengė į naują istorinį laikotarpį. Atsiradus aukštos kokybės nuolatinių magnetų medžiagoms ir sparčiai tobulėjant valdymo technologijoms, nuolatinių magnetų variklių taikymas taps vis platesnis.
Taikymo Sritys
Palyginti su tradiciniais elektrinio sužadinimo varikliais, nuolatinio magneto varikliai, ypač retųjų žemių nuolatinio magneto varikliai, turi akivaizdžių pranašumų, tokių kaip paprasta konstrukcija, patikimas veikimas, mažas dydis ir svoris, maži nuostoliai ir didelis efektyvumas. Dėl to jų pritaikymo spektras yra itin platus, apimantis beveik visas aerokosmoso, krašto apsaugos, pramonės ir žemės ūkio gamybos bei kasdienio gyvenimo sritis.
Pramoninė automatika ir buitinė technika
- Nuolatiniai magneto nuolatinės srovės varikliai yra plačiai naudojami siurblio įrangoje, ypač vandens siurbliuose ir oro kondicionavimo siurbliuose, kur reikalingas stabilus veikimas ir mažas energijos suvartojimas.
- Automatizavimo įrangoje jie yra idealūs komponentai, tokie kaip robotinės rankos, konvejerio diržai ir pavaros, kur reikalingas didelis tikslumas ir greitas atsakas.
- Buitinių prietaisų srityje nuolatiniai magneto nuolatinės srovės varikliai plačiai naudojami kai kuriuose mažuose prietaisuose, tokiuose kaip elektriniai ventiliatoriai, elektriniai dantų šepetėliai, mikrobangų krosnelės ir kt.
- Energiją taupantys retųjų žemių nuolatinio magneto varikliai plačiai taikomi tekstilės ir chemijos pluošto pramonėje, naftos, kasybos pramonėje, anglių kasyklų transportavimo mašinose, bei įvairių siurblių ir ventiliatorių valdyme.
Transporto priemonės
Retųjų žemių nuolatinių magnetų varikliai yra didžiausia rinka įvairių tipų transporto priemonėse (automobiliuose, motocikluose, traukiniuose). Remiantis statistika, apie 70% retųjų žemių nuolatinių magnetų variklių yra naudojami transporto priemonėse. Prabangiuose automobiliuose yra daugiau nei 70 variklių rinkinių įvairioms reikmėms. Kadangi įvairių automobilių variklių reikalavimai yra skirtingi, nuolatinio magneto medžiagų pasirinkimas taip pat skiriasi. Variklio magnetai naudojami oro kondicionieriuose, ventiliatoriuose ir elektriniuose languose. Be to, elektromobiliai (EV) ir hibridiniai elektriniai automobiliai (HEV) negali apsieiti be nuolatinių magnetų variklių. Dėl didelio jų efektyvumo ir miniatiūrizacijos jie tampa idealia energetikos sistema šioms lengvoms elektrinėms transporto priemonėms, tokioms kaip elektriniai dviračiai, elektriniai motoroleriai ir elektriniai invalido vežimėliai.
Kintamosios srovės servo sistemos
Retųjų žemių nuolatinio magneto variklis yra pagrindinis komponentas elektromechaninės integracijos mašinų rinkiniuose su elektronika, didelio našumo ir greičio valdymo sistemomis. Šios sistemos naudojamos kuriant CNC stakles ir lanksčią gamybos technologiją, taip pat elektrinėse transporto priemonėse, pakeičiančiose tradicines šiluminiais varikliais varomas transporto priemones, siekiant išvengti išmetamųjų teršalų. Retųjų žemių nuolatinio magneto variklis yra perspektyvi aukštųjų technologijų pramonės šaka.
Naujosios technologijos ir maža galia
Naujosios technologijos daugiausia skirtos palaikyti mažos galios retųjų žemių nuolatinio magneto sinchroninio variklio kintamo dažnio greičio valdymo sistemą naujiems oro kondicionieriams ir šaldytuvams, belaidžius elektrinius prietaisus, įvairius retųjų žemių nuolatinio magneto nuolatinės srovės mikro variklius bei retųjų žemių nuolatinio magneto bešepetėlinius nuolatinės srovės variklius, naudojamus įvairios galios prietaisuose. Tokie varikliai yra labai paklausūs.
Aviacija ir kosmosas
Dėl retųjų žemių nuolatinių magnetų medžiagų pranašumų, jos labai tinka aviaciniams varikliams. Nors yra keletas retųjų žemių nuolatinių magnetų variklių pritaikymo iššūkių aviacijoje (pvz., generatoriaus įtampa ir apsauga nuo trumpojo jungimo), ekspertai sutinka, kad retųjų žemių nuolatinių magnetų varikliai yra svarbi naujos kartos aviacinių variklių plėtros kryptis. Beveik visi šiuolaikinėje aviacijoje ir kosminėje erdvėje naudojami generatoriai naudoja retųjų žemių nuolatinių magnetų generatorius. Pavyzdžiui, JAV General Electric Company gamina 150 kVA 14 polių 12 000 aps./min. - 21 000 aps./min. ir 100 kVA 60 000 r/min retųjų žemių kobalto nuolatinio magneto sinchroninius generatorius. Kinijoje sukurtas pirmasis retųjų žemių nuolatinio magneto variklis buvo 3 kW 20 000 aps./min. nuolatinio magneto generatorius.
Nuolatinio magneto generatorius taip pat naudojamas kaip pagalbinis didelio masto garo turbinos generatoriaus žadintuvas. Devintajame dešimtmetyje buvo sėkmingai sukurtas 40 kVA - 160 kVA retųjų žemių nuolatinio magneto pagalbinis žadintuvas, kuris tuo metu buvo didžiausias pasaulyje. Tai labai pagerina elektrinės veikimo patikimumą. Šiuo metu palaipsniui skatinami maži generatoriai, varomi vidaus degimo varikliais, skirti nepriklausomiems energijos šaltiniams, nuolatinių magnetų generatoriai transporto priemonėms ir maži nuolatinio magneto vėjo generatoriai, tiesiogiai varomi vėjo turbinų.
Nuolatinių Magnetų Medžiagos Varikliuose
Dažniausiai naudojamos magnetinės medžiagos varikliuose yra aglomeruoti NdFeB magnetai (neodimio geležies boro) ir SmCo magnetai (samario kobalto). Aglomeruoti NdFeB magnetai pasižymi puikia magnetine jėga, kuri leidžia pasiekti didelį sukimo momentą rotoriuose ir statoriuose. Tarp visų kermetų NdFeB kokybės, H, SH, EH ir UH serijos yra populiarios, nes jų darbinė temperatūra gali būti 100-200° C temperatūroje neprarandant magnetizmo. Kai reikalinga didesnė darbinė temperatūra, SmCo magnetas yra teikiama pirmenybė, nes jo darbinė temperatūra gali siekti iki 250° C - 300° C.
Nuolatiniai magnetai, žiedo formos ir lanko segmentų, kurie įmagnetinti per skersmenį, paprastai plačiai naudojami nuolatinio magneto varikliuose. Nuolatiniai magnetai yra plačiai naudojami ne tik varikliuose, bet ir MRT mašinose, nešiojamuosiuose elektroniniuose prietaisuose, histerezės sankabose ir akselerometruose.
Kaštų Aspektas
Ferito magnetų varikliai
Ferito nuolatinio magneto varikliai, ypač miniatiūriniai nuolatinio magneto nuolatinės srovės varikliai, yra plačiai naudojami dėl savo paprastos struktūros ir proceso, mažesnės masės ir apskritai mažesnės bendros sąnaudos nei elektrinio sužadinimo varikliai.
Retųjų žemių magnetų varikliai
Kadangi retųjų žemių nuolatiniai magnetai šiuo metu vis dar yra gana brangūs, retųjų žemių nuolatinių magnetų variklių kaina paprastai yra didesnė nei elektrinio sužadinimo variklių. Tačiau šias išlaidas kompensuoja didelis našumas ir sutaupytos eksploatavimo išlaidos. Kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, kompiuterių diskų įrenginių balso ritės varikliuose, NdFeB nuolatinių magnetų naudojimas pagerina veikimą, žymiai sumažina tūrį ir masę, o tai lemia bendrą sąnaudų efektyvumą. Projektuojant būtina palyginti našumą ir kainą, atsižvelgiant į konkrečias naudojimo progas ir reikalavimus, kad būtų galima nuspręsti dėl pasirinkimo. Taip pat svarbu atnaujinti konstrukcinį procesą ir optimizuoti dizainą, siekiant sumažinti sąnaudas.
tags: #nuolatinio #magneto #motoras