"הליבה" של מנועי מגנט קבוע - מגנטים קבועים

פיתוח מנועים בעלי מגנט קבוע קשור קשר הדוק לפיתוח חומרים בעלי מגנט קבוע. סין היא המדינה הראשונה בעולם שגילתה את התכונות המגנטיות של חומרים בעלי מגנט קבוע ויישמה אותן הלכה למעשה. לפני יותר מ-2,000 שנה, סין השתמשה בתכונות המגנטיות של חומרים בעלי מגנט קבוע כדי לייצר מצפנים, אשר מילאו תפקיד עצום בניווט, בצבא ובתחומים אחרים, והפכו לאחת מארבע ההמצאות הגדולות של סין העתיקה.

המנוע הראשון בעולם, שהופיע בשנות ה-20 של המאה ה-20, היה מנוע מגנט קבוע שהשתמש במגנטים קבועים כדי לייצר שדות מגנטיים של עירור. עם זאת, חומר המגנט הקבוע ששימש באותה תקופה היה מגנטיט טבעי (Fe3O4), בעל צפיפות אנרגיה מגנטית נמוכה מאוד. המנוע שעשוי ממנו היה גדול בגודלו והוחלף במהרה במנוע עירור חשמלי.

עם הפיתוח המהיר של מנועים שונים והמצאת המגנטיזטורים הנוכחיים, אנשים ערכו מחקר מעמיק על המנגנון, ההרכב וטכנולוגיית הייצור של חומרים מגנטיים קבועים, וגילו באופן עקבי מגוון של חומרים מגנטיים קבועים כגון פלדת פחמן, פלדת טונגסטן (מכפלת אנרגיה מגנטית מקסימלית של כ-2.7 קילו-ג'אול/מ"ק) ופלדת קובלט (מכפלת אנרגיה מגנטית מקסימלית של כ-7.2 קילו-ג'אול/מ"ק).

בפרט, הופעתם של מגנטים קבועים מאלומיניום ניקל קובלט בשנות ה-30 (תוצר אנרגיה מגנטי מרבי יכול להגיע ל-85 קילו-ג'אול/מ"ק) ומגנטים קבועים של פריט בשנות ה-50 (תוצר אנרגיה מגנטי מרבי יכול להגיע ל-40 קילו-ג'אול/מ"ק) שיפרו מאוד את התכונות המגנטיות, ומנועים קטנים ומיקרו שונים החלו להשתמש בעירור מגנט קבוע. הספקם של מנועי מגנט קבוע נע בין כמה מיליוואט לעשרות קילוואט. הם נמצאים בשימוש נרחב בייצור צבאי, תעשייתי וחקלאי ובחיי היומיום, ותפוקתם גדלה באופן דרמטי.

בהתאם לכך, במהלך תקופה זו נעשו פריצות דרך בתורת התכנון, בשיטות החישוב, במגנטיזציה ובטכנולוגיית הייצור של מנועי מגנט קבוע, ויצרו מערכת של שיטות ניתוח ומחקר המיוצגות על ידי שיטת דיאגרמת העבודה של המגנט הקבוע. עם זאת, כוח הכפייה של מגנטים קבועים מסוג AlNiCo נמוך (36-160 kA/m), וצפיפות המגנטית הרמננטית של מגנטים קבועים מסוג פריט אינה גבוהה (0.2-0.44 T), דבר המגביל את טווח היישום שלהם במנועים.

רק בשנות ה-60 וה-80 של המאה ה-20 יצאו בזה אחר זה מגנטים קבועים מקובלט נדיר ומגנטים קבועים מבורון ניאודימיום ברזל (המכונים יחד מגנטים קבועים מקובלט נדיר ברזל). התכונות המגנטיות המצוינות שלהם, הכוללות צפיפות מגנטית רמננטית גבוהה, כוח כפייה גבוה, מכפלת אנרגיה מגנטית גבוהה ועקומת דה-מגנטיזציה ליניארית, מתאימות במיוחד לייצור מנועים, ובכך הובילו את פיתוחם של מנועי מגנט קבוע לתקופה היסטורית חדשה.

1. חומרים מגנטיים קבועים

חומרי המגנט הקבועים הנפוצים במנועים כוללים מגנטים מסונטרים ומגנטים קשורים, הסוגים העיקריים הם אלומיניום ניקל קובלט, פריט, סמריום קובלט, ניאודימיום ברזל בורון ועוד.

אלניקו: חומר מגנט קבוע מאלניקו הוא אחד מחומרי המגנט הקבועים המוקדמים ביותר הנמצאים בשימוש נרחב, ותהליך ההכנה והטכנולוגיה שלו יחסית בוגרים.

פריט קבוע: בשנות ה-50, פריט החל לשגשג, במיוחד בשנות ה-70, כאשר פריט סטרונציום בעל ביצועי כפייה ואנרגיה מגנטית טובים הוכנס לייצור בכמויות גדולות, מה שהרחיב במהירות את השימוש בפריט קבוע. כחומר מגנטי לא מתכתי, לפריט אין את החסרונות של חמצון קל, טמפרטורת קירי נמוכה ועלות גבוהה של חומרי מגנט קבועים מתכתיים, ולכן הוא פופולרי מאוד.

סמריום קובלט: חומר מגנט קבוע בעל תכונות מגנטיות מצוינות שהופיע באמצע שנות ה-60 ובעל ביצועים יציבים מאוד. סמריום קובלט מתאים במיוחד לייצור מנועים מבחינת תכונות מגנטיות, אך בשל מחירו הגבוה, הוא משמש בעיקר במחקר ופיתוח של מנועים צבאיים כגון תעופה, חלל ונשק, ומנועים בתחומי היי-טק שבהם ביצועים גבוהים ומחיר אינם הגורם העיקרי.

NdFeB: חומר מגנטי NdFeB הוא סגסוגת של ניאודימיום, תחמוצת ברזל וכו', המכונה גם פלדה מגנטית. יש לו מכפלת אנרגיה מגנטית גבוהה במיוחד וכוח כפייה. יחד עם זאת, יתרונות צפיפות האנרגיה הגבוהה הופכים את חומרי המגנט הקבוע NdFeB לשימוש נרחב בתעשייה המודרנית ובטכנולוגיה אלקטרונית, מה שמאפשר מזעור, הקלה ודלילה של ציוד כגון מכשירים, מנועים אלקטרו-אקוסטיים, הפרדה מגנטית ומגנטיזציה. מכיוון שהוא מכיל כמות גדולה של ניאודימיום וברזל, הוא קל להחליד. פסיבציה כימית על פני השטח היא אחד הפתרונות הטובים ביותר כיום.

עמידות בפני קורוזיה, טמפרטורת הפעלה מקסימלית, ביצועי עיבוד, צורת עקומת דה-מגנטיזציה,

והשוואת מחירים של חומרי מגנט קבועים נפוצים למנועים (איור)

2.השפעת צורת הפלדה המגנטית והסבילות שלה על ביצועי המנוע

1. השפעת עובי הפלדה המגנטית

כאשר המעגל המגנטי הפנימי או החיצוני קבוע, פער האוויר מצטמצם והשטף המגנטי האפקטיבי עולה ככל שהעובי עולה. הביטוי הברור הוא שמהירות ללא עומס יורדת והזרם ללא עומס יורד תחת אותה מגנטיות שיורית, והיעילות המקסימלית של המנוע עולה. עם זאת, ישנם גם חסרונות, כגון רעידות קומוטציה מוגברות של המנוע ועקומת יעילות תלולה יחסית של המנוע. לכן, עובי הפלדה המגנטית של המנוע צריך להיות עקבי ככל האפשר כדי להפחית את הרעידות.

2. השפעת רוחב הפלדה המגנטית

עבור מגנטים למנועים ללא מברשות הממוקמים זה בזה בצפיפות, הפער הכולל המצטבר לא יעלה על 0.5 מ"מ. אם הוא קטן מדי, הוא לא יותקן. אם הוא גדול מדי, המנוע ירטוט ויפחית את היעילות. הסיבה לכך היא שמיקום אלמנט ההול המודד את מיקום המגנט אינו תואם את מיקום המגנט בפועל, והרוחב חייב להיות עקבי, אחרת המנוע יהיה בעל יעילות נמוכה ורעידות גדולות.

עבור מנועים עם מברשות, ישנו פער מסוים בין המגנטים, השמור לאזור המעבר המכני של הקומוטציה. למרות שיש פער, לרוב היצרנים יש נהלי התקנה מחמירים של מגנטים כדי להבטיח את דיוק ההתקנה על מנת להבטיח את מיקום ההתקנה המדויק של מגנט המנוע. אם רוחב המגנט עולה על רוחב המגנט, הוא לא יותקן; אם רוחב המגנט קטן מדי, הדבר יגרום למגנט להיות לא מיושר, המנוע ירטוט יותר והיעילות תפחת.

3. השפעת גודל שפיעה של פלדה מגנטית וגודל שאינו שפיעה

אם לא מתבצעת השיוף, קצב השינוי של השדה המגנטי בקצה השדה המגנטי של המנוע יהיה גדול, מה שיגרום לפעימות של המנוע. ככל שהשיוף גדול יותר, כך התנודה קטנה יותר. עם זאת, שיוף בדרך כלל גורם לאובדן מסוים בשטף המגנטי. עבור מפרטים מסוימים, אובדן השטף המגנטי הוא 0.5~1.5% כאשר השיוף הוא 0.8. עבור מנועים עם מברשות עם מגנטיות שיורית נמוכה, הקטנה מתאימה של גודל השיוף תעזור לפצות על המגנטיות השיורית, אך פעימות המנוע יגדלו. באופן כללי, כאשר המגנטיות השיורית נמוכה, ניתן להגדיל את הסבילות בכיוון האורך בצורה מתאימה, מה שיכול להגדיל את השטף המגנטי האפקטיבי במידה מסוימת ולשמור על ביצועי המנוע כמעט ללא שינוי.

3. הערות על מנועים בעלי מגנט קבוע

1. מבנה מעגל מגנטי וחישוב עיצוב

על מנת לתת משחק מלא לתכונות המגנטיות של חומרים שונים של מגנט קבוע, במיוחד התכונות המגנטיות המצוינות של מגנטים קבועים בעלי אדמה נדירה, ולייצר מנועים בעלי מגנט קבוע חסכוניים, לא ניתן פשוט ליישם את שיטות חישוב המבנה והעיצוב של מנועי מגנט קבוע מסורתיים או מנועי עירור אלקטרומגנטי. יש ליצור קונספטים עיצוביים חדשים כדי לנתח מחדש ולשפר את מבנה המעגל המגנטי. עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית חומרת ותוכנה למחשבים, כמו גם השיפור המתמיד של שיטות עיצוב מודרניות כגון חישוב מספרי של שדה אלקטרומגנטי, טכנולוגיית אופטימיזציה של עיצוב וסימולציה, ובאמצעות מאמצים משותפים של קהילות האקדמיה וההנדסה המוטורית, נעשו פריצות דרך בתורת העיצוב, שיטות החישוב, התהליכים המבניים וטכנולוגיות הבקרה של מנועי מגנט קבוע, ויצרו מערך שלם של שיטות ניתוח ומחקר ותוכנת ניתוח ועיצוב בעזרת מחשב המשלבת חישוב מספרי של שדה אלקטרומגנטי ופתרון אנליטי של מעגלים מגנטיים מקבילים, ומשתפרת באופן מתמיד.

2. בעיית דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה

אם התכנון או השימוש אינם נכונים, מנוע המגנט הקבוע עלול לגרום לדה-מגנטיזציה בלתי הפיכה, או דה-מגנטיזציה, כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי (מגנט קבוע NdFeB) או נמוכה מדי (מגנט קבוע פריט), תחת תגובת ארמטורה הנגרמת מזרם הפגיעה, או תחת רעידות מכניות חזקות, אשר יפחיתו את ביצועי המנוע ואף יגרמו לו להיות בלתי שמיש. לכן, יש צורך ללמוד ולפתח שיטות ומכשירים המתאימים ליצרני מנועים כדי לבדוק את היציבות התרמית של חומרי מגנט קבוע, ולנתח את יכולות נוגדות הדה-מגנטיזציה של צורות מבניות שונות, כך שניתן יהיה לנקוט באמצעים מתאימים במהלך התכנון והייצור כדי להבטיח שמנוע המגנט הקבוע לא יאבד מגנטיות.

3. בעיות עלות

מכיוון שמגנטים קבועים של אדמה נדירה עדיין יקרים יחסית, עלותם של מנועי מגנט קבוע של אדמה נדירה גבוהה בדרך כלל מזו של מנועי עירור חשמליים, דבר שיש לפצות על ידי ביצועים גבוהים וחיסכון בעלויות תפעול. במקרים מסוימים, כגון מנועי סליל קולי עבור כונני דיסק למחשב, השימוש במגנטים קבועים של NdFeB משפר את הביצועים, מפחית משמעותית את הנפח והמסה, ומפחית את העלויות הכוללות. בעת התכנון, יש צורך להשוות ביצועים ומחיר בהתבסס על אירועי שימוש ודרישות ספציפיים, ולחדש תהליכים מבניים ולמטב עיצובים כדי להפחית עלויות.

חברת ציוד אלקטרומכני למגנטים קבועים של אנחווי מינגטנג בע"מ (https://www.mingtengmotor.com/קצב הדה-מגנטיזציה של פלדה מגנטית למנוע בעל מגנט קבוע אינו עולה על אלפית אחת לשנה.

חומר המגנט הקבוע של רוטור המנוע בעל המגנט הקבוע של חברתנו מאמץ NdFeB מסונטר בעל תוצר אנרגיה מגנטי גבוה וכפייתיות פנימית גבוהה, והדרגות המקובלות הן N38SH, N38UH, N40UH, N42UH וכו'. קחו לדוגמה את N38SH, דרגה נפוצה בחברתנו: 38- מייצג את תוצר האנרגיה המגנטית המרבי של 38MGOe; SH מייצג עמידות מקסימלית לטמפרטורה של 150℃. ל-UH עמידות מקסימלית לטמפרטורה של 180℃. החברה עיצבה כלים מקצועיים ומתקני הנחיה להרכבת פלדה מגנטית, וניתחה איכותית את הקוטביות של הפלדה המגנטית המורכבת באמצעים סבירים, כך שערך השטף המגנטי היחסי של כל פלדה מגנטית חריצה קרוב, מה שמבטיח את הסימטריה של המעגל המגנטי ואת איכות הרכבת הפלדה המגנטית.

זכויות יוצרים: מאמר זה הוא הדפסה מחודשת של המספר הציבורי של WeChat "המנוע של היום", הקישור המקורי https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg

מאמר זה אינו מייצג את עמדות החברה שלנו. אם יש לכם דעות או השקפות שונות, אנא תקנו אותנו!