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Motores de ímã permanente dependem de ímãs permanentes para gerar seu campo magnético. Eles não requerem nenhuma bobina de excitação ou corrente. Esses motores são conhecidos por seus eficiência e design simples. Eles são considerados motores de economia de energia. Os motores de ímã permanente passaram por um longo processo de desenvolvimento que reflete grandes melhorias ao longo dos anos.
Processo de desenvolvimento
A evolução do motor de ímã permanente está intimamente ligada ao desenvolvimento de um material de ímã permanente. O país da China se tornou o primeiro país a reconhecer, bem como aplicar as propriedades magnéticas desse tipo de material na prática. Mais de 2,000 anos atrás, a colocação de propriedades em aplicações de bússola, tendo grande significado, incluindo navegação e estratégia militar, entre outros, foi realizada. Esta é considerada uma das quatro grandes invenções da China antiga.
O primeiro motor elétrico do mundo surgiu na década de 1820. Este motor é um motor de ímã permanente. O campo magnético deste tipo de motor é gerado por ímãs permanentes. No entanto, esta tecnologia desapareceu por algum tempo e só se desenvolveu extensivamente nos últimos anos. Como o material de ímã permanente usado naquela época era magnetita natural, sua densidade de energia magnética era especialmente baixa. Usá-lo para fazer motores torna os motores particularmente grandes. Devido à sua baixa praticidade, os motores de ímã permanente foram lentamente substituídos por motores elétricos de excitação. Seu desenvolvimento também estagnou por um tempo. No entanto, alguns cientistas acreditam que ainda há necessidade de estudar motores de ímã permanente, então, enquanto outros mudam de campo, um pequeno número de pessoas permanece profundamente envolvido neste campo.
Enquanto todos os tipos de motores estavam se desenvolvendo rapidamente, e ao mesmo tempo em que os magnetizadores atuais eram inventados, os pesquisadores estudavam o mecanismo, a composição e a tecnologia de fabricação de materiais de ímã permanente extensivamente. Como resultado, uma série de materiais magnéticos permanentes foram descobertos, como aço carbono, aço tungstênio e aço cobalto. Especialmente, as propriedades magnéticas do ímã permanente AlNiCo inventado na década de 1930 e do ímã permanente de ferrite inventado na década de 1950 foram bastante melhoradas, então o método de excitação de ímã permanente foi amplamente adotado para vários micro e pequenos motores. Os motores de ímã permanente são amplamente utilizados na produção militar, industrial, agrícola e na vida diária, com potência de saída variando de alguns miliwatts a dezenas de quilowatts. Portanto, a produção de motores de ímã permanente aumentou drasticamente. Durante este período, a teoria do projeto, métodos de cálculo, magnetização e tecnologia de fabricação de motores de ímã permanente também foram bastante melhorados. Durante este período, uma série de métodos analíticos e de pesquisa foram desenvolvidos, incluindo o método do diagrama de trabalho do ímã permanente.
No entanto, devido à baixa coercividade dos ímãs permanentes de AlNiCo e à baixa densidade de remanência dos ímãs permanentes de ferrite, sua faixa de aplicação em motores era muito limitada. Até as décadas de 1960 e 1980, uma série de materiais magnéticos permanentes de terras raras surgiram um após o outro, incluindo ímãs permanentes de cobalto de terras raras e ímãs permanentes de neodímio ferro boro. Eles têm alta densidade de remanência e força coercitiva, alto produto de energia magnética e excelente propriedade magnética de curva de desmagnetização linear, especialmente adequados para a fabricação de motores, promovendo motores de ímã permanente em um novo período histórico.
Características dos motores de ímã permanente
Comparados com os motores de excitação elétrica tradicionais, os motores de ímã permanente incluem:
O escopo da aplicação é muito extenso. Pode-se dizer que em todas as áreas, os departamentos aeroespaciais incluem defesa nacional, produção industrial e agrícola, e as vidas das pessoas. A seguir estão as principais características de vários motores de ímã permanente típicos e suas principais aplicações.
Comparado aos geradores convencionais, o gerador de ímã permanente de terras raras não tem anéis coletores e um dispositivo de escova. A estrutura do gerador síncrono de ímã permanente é simples e as taxas de falha são reduzidas. Ao empregar ímãs permanentes de terras raras, a densidade magnética do entreferro pode ser aumentada, bem como a velocidade do motor em direção ao valor ideal para melhorar a relação potência-massa. Os geradores de ímã permanente de terras raras são quase empregados em todos os geradores modernos de aviação e aeroespacial. Seus produtos típicos são geradores síncronos de ímã permanente de cobalto de terras raras de 150 kVA 14 polos 12 r/min ~ 000 r/min e 21 kVA 000 r/min fabricados pela General Electric Company dos Estados Unidos.
Geradores de ímã permanente também são usados como excitadores auxiliares para grandes geradores de turbina. O excitador auxiliar de ímã permanente de terras raras de 40 kVA a 160 kVA de maior capacidade do mundo foi desenvolvido com sucesso para geradores de turbina de 200 MW a 600 MW na década de 1980. Desde então, a confiabilidade da operação da estação de energia foi bastante melhorada. Atualmente, pequenos geradores acionados por motores de combustão interna para fontes de energia independentes, geradores de ímã permanente para veículos e pequenas turbinas eólicas de ímã permanente acionadas diretamente por rodas eólicas estão sendo gradualmente promovidos.
Aplicações em vários campos
3. A outra nova área é o uso de vários micromotores CC de ímã permanente de terras raras para dar suporte a novos sistemas de controle de velocidade de frequência variável para condicionadores de ar e refrigeradores. Os motores CC sem escovas de ímã permanente de terras raras são instrumentos com diferentes potências, e a demanda por tais motores também é grande.
Materiais de ímã permanente de terras raras têm grandes vantagens na indústria aeroespacial e são de grande importância para o desenvolvimento da indústria aeroespacial. Motores de ímã permanente de terras raras têm sido usados em alguns campos da indústria aeroespacial, como regulação de tensão de gerador e proteção contra curto-circuito, mas cientistas no mundo acreditam uniformemente que o motor de ímã permanente de terras raras é uma das direções essenciais para o desenvolvimento da próxima geração de motores aeroespaciais
Dificuldades técnicas enfrentadas por motores de ímã permanente
1. Alto preço de materiais de ímã permanente
O custo do material de ímã permanente frequentemente ocupa mais de 50% de todos os custos de material. O material magnético permanente precisa de recursos de terras raras. Na maioria dos países, as terras raras são consideradas um recurso mineral extremamente pobre, com preços altos e quantidade baixa. A maioria dos produtos de materiais de terras raras do mundo são exportados da China.
2. Fenômeno de desmagnetização
Motores de ímã permanente estão sempre em perigo de desmagnetização irreversível sob condições desfavoráveis de altas temperaturas e vibrações mecânicas frequentes. Os fatores que contribuem para a desmagnetização são a alta temperatura operacional do motor, o aumento da temperatura ambiente e o acúmulo de calor. Quando isso acontece, o desempenho reduz drasticamente e o motor se torna praticamente inútil. Para diminuir a degradação magnética durante o processo de trabalho, uma é pesquisar e desenvolver uma série de materiais de ímã permanente NdFeB resistentes a altas temperaturas e altamente magnéticos para resolver o problema desde suas raízes; a outra é promover a tecnologia antidesmagnetização. Por exemplo, isso pode ser realizado pela detecção de carga, redução da carga máxima, aprimoramento das medidas de dissipação de calor e redução de partidas frequentes.
3. Tecnologia de controle
Devido ao fenômeno do “ímã permanente” no motor síncrono de ímã permanente, é muito difícil ajustar seu campo magnético externamente. Para as aplicações do motor síncrono de ímã permanente no momento, a ideia de controle não é realizar o controle do campo magnético, mas apenas o controle da armadura. O motor síncrono de ímã permanente é controlado por dispositivos eletrônicos em coordenação com o controle do microcomputador. Realize gerenciamento refinado em controle de posição, velocidade e torque.
Além das questões discutidas acima, surgem algumas dificuldades técnicas mais críticas Motores síncronos de ímã permanente que precisam de mais atenção e inovação. Tais dificuldades incluem suscetibilidade a quedas de energia, incapacidade de atingir velocidades muito altas e partida problemática do motor. Abordar tais questões é importante para desbloquear todo o potencial dos PMSMs e maximizar sua utilidade em várias aplicações.
A suscetibilidade a quedas de energia é um dos maiores problemas técnicos que os PMSMs enfrentam. Enquanto os motores de indução convencionalmente continuam sua operação sem energia fornecida a eles, os PMSMs sempre exigem uma fonte de energia externa para excitação de campo magnético. Em caso de queda de energia, os PMSMs podem simplesmente parar de funcionar, interrompendo assim processos e sistemas críticos.
Alguns dos métodos que podem ser usados para reduzir o impacto de quedas de energia no funcionamento de PMSMs são sistemas de armazenamento de energia e energias de backup. Integrar uma bateria ou capacitor com o sistema PMSM permitirá que ele sustente o fornecimento de energia por algum tempo em caso de uma queda de energia, garantindo mais funcionamento e reduzindo o período de paralisação. Além disso, o endurecimento em eletrônica de potência e algoritmos de controle aumenta a robustez dos PMSMs contra flutuações e interrupções de energia.
Outro desafio técnico associado aos PMSMs é sua limitação inerente em altas velocidades. Embora os PMSMs tenham algumas características favoráveis, como alta densidade de torque e eficiência, eles podem não ser capazes de operar em velocidades ultra-altas devido a fatores como inércia do rotor e forças centrífugas. Essa limitação impõe restrições em aplicações que exigem aceleração e desaceleração rápidas ou operação em alta velocidade.
Para enfrentar esse desafio, projetos de rotor inovadores, materiais avançados e técnicas de resfriamento inovadoras estão sendo considerados para melhorar as capacidades de velocidade dos PMSMs. Com a construção otimizada do rotor, uma redução na inércia rotacional permite que os engenheiros aumentem ainda mais a capacidade de resposta e o desempenho em velocidades elevadas. Além disso, o desenvolvimento adicional de materiais magnéticos e sistemas de gerenciamento térmico pode ser usado para reduzir o superaquecimento e as tensões mecânicas em operações de alta velocidade.
Outro desafio técnico no PMSM está relacionado ao seu processo de inicialização. Na inicialização, para aplicações que exigem precisão no controle e sincronização, o PMSM tem outro desafio técnico. Ao contrário do motor de indução, que dará partida automaticamente quando conectado a uma fonte de energia, o PMSM precisa de alguns sinais de controle externos de fora para iniciar a rotação. Isso aumentará a complexidade do sistema, especialmente durante a inicialização do processo de operação do motor.
Para superar esse desafio, os pesquisadores estão explorando estratégias de controle inovadoras e técnicas de partida de motores sem sensor para PMSMs. Ao implementar algoritmos avançados e tecnologias de sensores, os engenheiros podem desenvolver procedimentos de inicialização robustos e confiáveis que minimizam a dependência de sinais de controle externos. Além disso, os avanços no projeto e na construção de motores podem aumentar a eficiência e a eficácia das sequências de partida do motor, simplificando as operações e melhorando o desempenho geral do sistema.
Estamos realmente convencidos de que, apesar desses desafios técnicos, a melhoria na tecnologia de motores de ímã permanente vai prevalecer. Considerando o ritmo em que ideias inovadoras estão sendo propostas e testadas por pesquisadores e engenheiros, realizações notáveis podem ser esperadas na superação de certos desafios técnicos principais e na abertura de perspectivas para novas aplicações de PMSMs em diferentes indústrias.
Se os problemas de vulnerabilidade a quedas de energia, limitações em atingir altas velocidades e inicialização problemática da operação do motor forem resolvidos, os PMSMs tornariam a vida humana e a produção ainda mais confortáveis e eficientes. Prevemos facilmente, por meio dessas colaborações e pesquisas contínuas, que os motores PMSM desempenharão um grande papel na alimentação de tecnologia e indústrias em breve.
