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Desenvolvimento e Aplicação de Motores de Imã Permanente

2023-12-06 15:17:11

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Motores de ímã permanente utilizam ímãs permanentes para criar seu campo magnético, eliminando a necessidade de uma bobina ou corrente de excitação. Caracterizado por alta eficiência e um design simples, estes motores são reconhecidos pelas suas qualidades de poupança de energia. Na verdade, o desenvolvimento de motores de ímã permanente tem sido uma jornada extensa, refletindo avanços significativos ao longo do tempo.

Classificação do Motor Síncrono de Ímã Permanente (PMSM)

Processo de desenvolvimento

A evolução dos motores de ímã permanente está intrinsecamente ligada aos avanços nos materiais de ímã permanente. A China detém a distinção de ser a primeira nação a reconhecer e aplicar na prática as propriedades magnéticas de tais materiais. Há mais de 2,000 anos, essas propriedades foram aproveitadas para criar bússolas, que tiveram um impacto profundo na navegação e nas estratégias militares, entre outras áreas. Esta inovação é celebrada como uma das quatro grandes invenções da China antiga.

O primeiro motor elétrico do mundo apareceu na década de 1820. Na verdade, este motor é um motor de ímã permanente. Seu campo magnético é gerado por ímãs permanentes. Mas, na verdade, esta tecnologia desapareceu por um tempo e não foi amplamente utilizada até anos recentes. Porque o material magnético permanente usado naquela época era a magnetita natural. A densidade de energia magnética desta magnetita era particularmente baixa. Usá-lo para fabricar motores torna-os particularmente grandes. Devido à sua baixa praticidade, os motores de ímã permanente foram lentamente substituídos por motores de excitação elétrica. Seu desenvolvimento também estagnou por um tempo. Mas alguns cientistas acreditam que ainda há necessidade de estudar motores de ímanes permanentes, por isso, enquanto outros mudam de campo, um pequeno número de pessoas permanece profundamente envolvido neste campo.

À medida que vários tipos de motores continuaram a avançar rapidamente e os magnetizadores de corrente foram inventados, os pesquisadores conduziram extensas investigações sobre o mecanismo, a composição e a tecnologia de fabricação de materiais de ímã permanente. Isso levou à descoberta de uma variedade de materiais magnéticos permanentes, incluindo aço carbono, aço tungstênio e aço cobalto. Notavelmente, as propriedades magnéticas dos ímãs permanentes de AlNiCo, que surgiram na década de 1930, e dos ímãs permanentes de ferrite, que surgiram na década de 1950, foram significativamente melhoradas. Como resultado, a excitação por ímã permanente tornou-se amplamente utilizada em vários micro e pequenos motores. A potência dos motores de ímã permanente varia de alguns miliwatts a dezenas de quilowatts, e eles são amplamente empregados na produção militar, industrial, agrícola e na vida diária. Conseqüentemente, a produção de motores de ímã permanente experimentou um aumento dramático. Este período também viu um progresso significativo na teoria de projeto, métodos de cálculo, magnetização e tecnologia de fabricação de motores de ímã permanente. Um conjunto de metodologias analíticas e de pesquisa, como o método do diagrama de trabalho do ímã permanente, foi estabelecido durante esta época.

No entanto, a baixa coercividade dos ímãs permanentes de AlNiCo e a baixa densidade de remanência dos ímãs permanentes de ferrite limitaram sua faixa de aplicação em motores. Até as décadas de 1960 e 1980, os ímãs permanentes de terras raras, cobalto e os ímãs permanentes de neodímio, ferro e boro (ambos chamados coletivamente de ímãs permanentes de terras raras) surgiram um após o outro. Sua alta densidade de remanência, alta força coercitiva, alto produto de energia magnética e excelentes propriedades magnéticas da curva de desmagnetização linear são particularmente adequadas para a fabricação de motores, trazendo o desenvolvimento de motores de ímã permanente para um novo período histórico.

Características dos motores de ímã permanente

Comparados com os motores de excitação elétrica tradicionais, os motores de ímã permanente incluem:

1. Estrutura simples e operação confiável

2.Tamanho pequeno e peso leve

3. Baixa perda e alta eficiência

4. Formas e tamanhos de motor flexíveis e versáteis

Portanto, a gama de aplicações dos motores de ímã permanente é extremamente ampla, cobrindo quase todas as áreas da indústria aeroespacial, como defesa nacional, produção industrial e agrícola e vida cotidiana. A seguir estão as principais características de vários motores típicos de ímã permanente e suas principais aplicações.

Em comparação com os geradores tradicionais, os geradores de ímã permanente de terras raras não requerem anéis coletores e dispositivos de escova. O gerador síncrono de ímã permanente possui uma estrutura simples e reduz a taxa de falhas. O uso de ímãs permanentes de terras raras também pode aumentar a densidade magnética do entreferro, a velocidade do motor para o valor ideal e melhorar a relação potência-massa. Quase todos os geradores modernos de aviação e aeroespacial usam geradores de ímã permanente de terras raras. Seus produtos típicos são geradores síncronos de ímã permanente de cobalto de terras raras de 150 kVA, 14 pólos, 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. Na década de 1980, a China desenvolveu com sucesso as excitatrizes auxiliares de ímã permanente de terras raras de maior capacidade de 40 kVA a 160 kVA do mundo, equipadas com geradores de turbina de 200 MW a 600 MW. Depois disso, a confiabilidade da operação da central elétrica melhorou bastante. Atualmente, pequenos geradores movidos 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

1. Os motores de ímã permanente de terras raras que economizam energia são direcionados principalmente ao consumo, como têxteis, fibras químicas, petróleo, mineração e outros campos. Motores síncronos de ímã permanente de terras raras são usados ​​em minas de carvão para ajudar no transporte de máquinas e acionar várias bombas e ventiladores.

Motores Elétricos

2. O sistema servo CA de motor de ímã permanente de terras raras é uma maquinaria mecatrônica avançada, que consiste em um sistema eletrônico de controle de velocidade de alto desempenho. O motor de ímã permanente de terras raras representa uma indústria promissora de alta tecnologia com potencial significativo de crescimento.

3. Outra nova área é o uso de vários micromotores DC de ímã permanente de terras raras para suportar novos sistemas de controle de velocidade de frequência variável para condicionadores de ar e refrigeradores. Os motores DC sem escova de ímã permanente de terras raras são instrumentos com potências diferentes, e a demanda por tais motores também é grande.

Os materiais magnéticos permanentes de terras raras oferecem vantagens significativas em aplicações aeroespaciais e desempenham um papel crucial no avanço da indústria aeroespacial. Embora motores de ímã permanente de terras raras já sejam utilizados em certas aplicações aeroespaciais, como regulação de tensão de geradores e proteção contra curto-circuito, os cientistas concordam unanimemente que esses motores representam uma direção vital para o desenvolvimento de motores aeroespaciais de próxima geração.

Dificuldades técnicas enfrentadas por motores de ímã permanente

1. Alto preço de materiais de ímã permanente

O custo dos materiais magnéticos permanentes geralmente representa mais de 50% do custo total do material. Materiais de ímã permanente requerem recursos de terras raras. Na maioria dos países, as terras raras são recursos extremamente escassos, com preços elevados e quantidades baixas. A maior parte dos materiais de terras raras do mundo é exportada da China. 

2. Fenômeno de desmagnetização

Os motores de ímã permanente são suscetíveis à desmagnetização irreversível quando expostos a condições adversas, como altas temperaturas e vibrações frequentes. Os fatores que contribuem para a desmagnetização incluem a alta temperatura operacional do motor, a temperatura ambiente elevada e o acúmulo de calor. Uma vez desmagnetizado, o desempenho do motor diminui significativamente, tornando-o potencialmente inutilizável. Para mitigar a degradação magnética durante a operação, uma abordagem envolve abordar o problema em sua raiz, desenvolvendo novos ímãs permanentes de NdFeB altamente magnéticos e altamente resistentes ao calor. Outra estratégia é aprimorar a tecnologia antidesmagnetização. Por exemplo, integrar a detecção de carga, reduzir a carga máxima, implementar medidas aprimoradas de dissipação de calor e minimizar partidas frequentes podem ajudar a resolver esse problema.

3.Tecnologia de controle

Devido ao fenômeno do “ímã permanente” no motor síncrono de ímã permanente, é extremamente difícil ajustar seu campo magnético externamente. Para o motor síncrono de ímã permanente atual, a ideia de controle não é realizar o controle do campo magnético, mas apenas realizar o controle da armadura. O motor síncrono de ímã permanente é controlado usando uma combinação de dispositivos eletrônicos e controle de microcomputador. Obtenha um gerenciamento refinado no controle de posição, velocidade e torque.

Além dos desafios discutidos anteriormente, Motores síncronos de ímã permanente encontram vários obstáculos técnicos que necessitam de mais atenção e inovação. Esses desafios incluem vulnerabilidade a quedas de energia, limitações para atingir altas velocidades e dificuldades para iniciar a operação do motor. Abordar essas questões é crucial para liberar todo o potencial dos PMSMs e maximizar sua utilidade em diversas aplicações.

Um dos principais desafios técnicos enfrentados pelos PMSMs é a sua vulnerabilidade a cortes de energia. Ao contrário dos motores de indução tradicionais, que podem continuar funcionando mesmo na ausência de energia, os PMSMs dependem de uma fonte de energia externa para manter a excitação do campo magnético. No caso de uma queda de energia, os PMSMs podem interromper a operação, levando a interrupções em processos e sistemas críticos.

Para mitigar o impacto dos cortes de energia na operação do PMSM, os investigadores estão a explorar soluções inovadoras, tais como sistemas de armazenamento de energia e fontes de energia de reserva. A integração de armazenamento de bateria ou capacitores em sistemas PMSM pode fornecer fornecimento de energia temporário durante interrupções, permitindo operação contínua e minimizando o tempo de inatividade. Além disso, os avanços na eletrônica de potência e nos algoritmos de controle podem aumentar a resiliência dos PMSMs às flutuações e interrupções de energia.

Outro desafio técnico associado aos PMSMs são as suas limitações inerentes na obtenção de altas velocidades. Embora os PMSMs ofereçam vantagens como alta densidade de torque e eficiência, eles podem ter dificuldades para operar em velocidades ultra-altas devido a fatores como a inércia do rotor e as forças centrífugas. Esta limitação impõe restrições em aplicações que requerem aceleração e desaceleração rápidas ou operação em alta velocidade.

Para enfrentar este desafio, os pesquisadores estão investigando novos designs de rotores, materiais avançados e técnicas inovadoras de resfriamento para melhorar as capacidades de velocidade dos PMSMs. Ao otimizar a construção do rotor e reduzir a inércia rotacional, os engenheiros podem melhorar a capacidade de resposta e o desempenho dos PMSMs em velocidades elevadas. Além disso, os avanços nos materiais magnéticos e nos sistemas de gerenciamento térmico podem ajudar a mitigar o superaquecimento e as tensões mecânicas associadas à operação em alta velocidade.

Iniciar a operação do motor representa outro desafio técnico para os PMSMs, especialmente em aplicações onde são necessários controle e sincronização precisos. Ao contrário dos motores de indução, que podem iniciar automaticamente quando conectados a uma fonte de energia, os PMSMs requerem sinais de controle externos para iniciar a rotação. Esta dependência de sinais de controle externos pode introduzir complexidades nos procedimentos de partida do motor e aumentar a complexidade do sistema.

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.

Apesar dos desafios técnicos enfrentados pelos PMSMs, mantemos uma forte crença no avanço contínuo da tecnologia de motores de ímã permanente. À medida que os investigadores e engenheiros continuam a ultrapassar os limites da inovação, prevemos avanços significativos na abordagem dos principais obstáculos técnicos e no desbloqueio de novas oportunidades para PMSMs em vários setores.

Ao superar desafios como a vulnerabilidade a cortes de energia, limitações na obtenção de altas velocidades e dificuldades no início da operação do motor, os PMSMs podem aumentar ainda mais a conveniência e a eficiência na produção humana e na vida diária. Através de esforços colaborativos e pesquisas contínuas, estamos confiantes de que os PMSMs desempenharão um papel cada vez mais proeminente na promoção do futuro da tecnologia e da indústria.

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