Rispetto ai tradizionali motori a eccitazione elettrica, i motori a magneti permanenti, in particolare quelli a magneti permanenti in terre rare , presentano vantaggi significativi quali struttura semplice, funzionamento affidabile, dimensioni ridotte, leggerezza, basse perdite, alta efficienza e flessibilità nella forma e nelle dimensioni, il che ne determina una diffusione sempre maggiore.
I motori a magneti permanenti utilizzano magneti permanenti come campo magnetico, che possono mantenere il loro campo magnetico senza energia esterna, mentre i motori ordinari richiedono corrente per avere un campo magnetico.
I motori convenzionali a magneti permanenti sono generalmente suddivisi nelle seguenti cinque categorie: motori CC a magneti permanenti, motori sincroni a magneti permanenti con avviamento asincrono, motori CC brushless a magneti permanenti, motori sincroni a magneti permanenti a velocità variabile e generatori sincroni a magneti permanenti.
I motori a magneti permanenti hanno principalmente le seguenti caratteristiche:
1. Motore CC a magneti permanenti
La differenza strutturale tra un motore CC a magnete permanente e un motore CC ordinario è che il primo annulla l'avvolgimento di campo e il nucleo polare e lo sostituisce con un polo a magnete permanente. Le caratteristiche del motore DC a magnete permanente sono simili a quelle del motore DC ad eccitazione separata, la differenza tra i due è il modo in cui viene generato il campo magnetico principale. Il primo ha un campo magnetico incontrollabile, mentre il secondo ha un campo magnetico controllabile. Oltre alle buone caratteristiche dei motori CC ad eccitazione separata, i motori CC a magneti permanenti hanno anche le caratteristiche di struttura semplice, funzionamento affidabile, alta efficienza, dimensioni ridotte e leggerezza.
2. Motore sincrono a magnete permanente con avviamento asincrono
Un motore sincrono a magnete permanente con avviamento asincrono è un motore sincrono a magnete permanente con capacità di autoavviamento, che ha le caratteristiche di un motore a induzione e di un motore sincrono ad eccitazione elettrica. Si basa sulla coppia asincrona generata dall'interazione tra il campo magnetico rotante dello statore e il rotore a gabbia per ottenere l'avviamento. Durante il normale funzionamento, il rotore funziona a velocità sincrona e il rotore a gabbia non funziona più e il suo principio di funzionamento è sostanzialmente lo stesso del motore sincrono ad eccitazione elettrica. Rispetto al motore a induzione, il motore sincrono a magneti permanenti ad avviamento asincrono presenta le seguenti caratteristiche:
(1) La velocità è costante, ovvero la velocità sincrona.
(2) Fattore di potenza elevato, anche fattore di potenza anticipato.
Riducendo così la corrente dello statore e la perdita di resistenza dello statore e non vi è alcuna perdita di rame del rotore durante il funzionamento stabile, il che a sua volta può ridurre le ventole (i motori di piccola capacità possono persino rimuovere le ventole) e il corrispondente attrito del vento. La perdita e l'efficienza possono essere aumentate del 2% a 8% rispetto ai motori a induzione con le stesse specifiche.
(3) Ha una vasta gamma di operazioni economiche.
Non solo ha un fattore di potenza ed un'efficienza elevati a carico nominale, ma ha anche un fattore di potenza ed un'efficienza elevati nell'intervallo dal 25% al 120% del carico nominale, il che rende l'effetto di risparmio energetico più significativo quando si funziona a carico leggero. Questo tipo di motore ha generalmente un avvolgimento di avviamento sul rotore, che ha la capacità di avviarsi direttamente ad una determinata frequenza e tensione.
(4) Il volume e la qualità dei motori a magneti permanenti sono notevolmente ridotti rispetto ai motori a induzione.
Ad esempio, la massa di un motore asincrono da 11 kW è di 220 kg, mentre quella del motore a magneti permanenti è di soli 92 kg, pari al 45.8% della massa del motore asincrono.
(5) Scarso impatto sulla rete elettrica.
Il fattore di potenza del motore a induzione è basso e il motore deve assorbire una grande quantità di corrente reattiva dalla rete, con conseguente diminuzione del fattore di qualità della rete, aumentando il carico sulle apparecchiature di trasformazione e distribuzione della rete e sulla potenza perdita. Tuttavia, non vi è alcuna eccitazione di corrente di induzione nel rotore del motore a magnete permanente e il fattore di potenza del motore è elevato, il che migliora il fattore di qualità della rete elettrica e rende non più necessaria l'installazione di un dispositivo di compensazione della potenza reattiva in la rete elettrica.
(6) Poiché di solito vengono utilizzati materiali a magneti permanenti NdFeB, il prezzo è elevato; quando il motore è progettato o utilizzato in modo improprio, può verificarsi una smagnetizzazione irreversibile.
(7) La tecnologia di lavorazione è complessa e la resistenza meccanica è scarsa.
(8) Le prestazioni del motore sono fortemente influenzate da fattori quali la temperatura ambiente e la tensione di alimentazione.
3. Motore CC senza spazzole a magnete permanente
Il motore DC brushless a magnete permanente sostituisce il commutatore del motore DC con un dispositivo di commutazione elettronico, che conserva le eccellenti caratteristiche del motore DC. Non solo presenta i vantaggi di una struttura semplice, un funzionamento affidabile e una manutenzione conveniente dei motori CA, ma presenta anche i vantaggi di un'elevata coppia di spunto e di buone prestazioni di regolazione della velocità dei motori CC. Grazie all'annullamento del commutatore delle spazzole, l'affidabilità è elevata; la perdita è generata principalmente dallo statore e le condizioni di dissipazione del calore sono buone; il volume è piccolo e il peso è leggero.
4. Motore sincrono a magnete permanente a velocità regolabile
Il motore sincrono a magnete permanente a velocità variabile e il motore CC senza spazzole a magnete permanente hanno sostanzialmente la stessa struttura, con avvolgimenti multifase sullo statore e magneti permanenti sul rotore. I vantaggi dei due sono simili. La differenza principale tra loro è che il motore CC senza spazzole a magnete permanente realizza la sincronizzazione in base alle informazioni sulla posizione del rotore, mentre il motore sincrono a magnete permanente con regolazione della velocità necessita di un sistema di controllo elettronico per realizzare la sincronizzazione e la regolazione della velocità.
5. Generatore sincrono a magnete permanente
Il generatore sincrono a magneti permanenti è un generatore sincrono con una struttura speciale. Diversamente dal normale generatore sincrono, utilizza magneti permanenti per stabilire un campo magnetico, annulla l'avvolgimento di eccitazione, l'alimentazione di eccitazione, l'anello collettore, la spazzola, ecc. E ha una struttura semplice. Funzionamento affidabile, alta efficienza, esente da manutenzione. Quando vengono utilizzati magneti permanenti di terre rare, la densità magnetica del traferro è elevata, la densità di potenza è elevata, il volume è piccolo e il peso è leggero. Tuttavia, poiché per stabilire un campo magnetico viene utilizzato un magnete permanente, è difficile regolare la tensione di uscita e la potenza reattiva regolando il metodo di eccitazione. Inoltre, i generatori sincroni a magneti permanenti utilizzano solitamente magneti permanenti NdFeB o ferrite. Il coefficiente di temperatura dei magneti permanenti è elevato e la tensione di uscita cambia con il cambiamento della temperatura ambiente, con conseguente deviazione della tensione di uscita dalla tensione nominale ed è difficile da regolare.
Perché i motori a magneti permanenti sono più efficienti?
Il motore sincrono a magnete permanente è composto principalmente da statore, rotore e componenti dell'alloggiamento. Come i normali motori CA, il nucleo dello statore è una struttura laminata per ridurre la perdita di ferro dovuta alle correnti parassite e agli effetti di isteresi durante il funzionamento del motore; anche gli avvolgimenti sono solitamente strutture simmetriche trifase, ma la selezione dei parametri è abbastanza diversa.
La parte del rotore ha varie forme, inclusi rotori a magneti permanenti con gabbie di scoiattolo di avviamento e rotori a magneti permanenti puri integrati o montati in superficie. Il nucleo del rotore può essere trasformato in una struttura solida o laminato. Il rotore è dotato di materiale magnetico permanente, comunemente chiamato acciaio magnetico.
Durante il normale funzionamento del motore a magnete permanente, il rotore e il campo magnetico dello statore sono in uno stato sincrono, non c'è corrente indotta nella parte del rotore, nessuna perdita di rame del rotore, isteresi e perdita di correnti parassite e non è necessaria considerare il problema delle perdite del rotore e della generazione di calore.
Generalmente, il motore a magnete permanente è alimentato da uno speciale convertitore di frequenza e naturalmente ha una funzione di avvio graduale.
Inoltre, il motore a magnete permanente è un motore sincrono, che ha la caratteristica di regolare il fattore di potenza del motore sincrono attraverso la forza dell'eccitazione, in modo che il fattore di potenza possa essere progettato su un valore specificato.
Dal punto di vista dell'avviamento, poiché il motore a magnete permanente viene avviato dall'alimentatore a frequenza variabile o dal convertitore di frequenza di supporto, il processo di avviamento del motore a magnete permanente è facile da realizzare; simile all'avviamento del motore a frequenza variabile, evita i difetti di avviamento del normale motore asincrono a gabbia.
In breve, l'efficienza e il fattore di potenza dei motori a magneti permanenti possono raggiungere livelli molto elevati e la struttura è molto semplice. Il mercato è stato molto caldo negli ultimi dieci anni.
Tuttavia, il fallimento della smagnetizzazione è un problema inevitabile per i motori a magneti permanenti. Quando la corrente è troppo alta o la temperatura è troppo alta, la temperatura degli avvolgimenti del motore aumenterà istantaneamente, la corrente aumenterà bruscamente e i magneti permanenti perderanno rapidamente il loro magnetismo.
Nel controllo del motore a magnete permanente, è impostato un dispositivo di protezione da sovracorrente per evitare il problema della bruciatura dell'avvolgimento dello statore del motore, ma la conseguente perdita di magnetizzazione e lo spegnimento dell'apparecchiatura sono inevitabili.
—— Custodia con design di raffreddamento ottimale
Un motore meglio raffreddato funziona in modo più efficiente, per ottenere il miglior flusso d'aria, il design della ventola di raffreddamento e della protezione della ventola è ottimizzato, garantendo uno stretto legame tra lo statore e l'alloggiamento del motore per fornire le migliori prestazioni di raffreddamento. L'efficienza elettrica del motore è migliorata notevolmente, ma la potenza della ventola di raffreddamento rappresenta una percentuale maggiore della perdita totale. L'ottimizzazione delle dimensioni della ventola di raffreddamento comporta l'utilizzo della potenza minima della ventola fornendo allo stesso tempo un raffreddamento adeguato. Il design ottimizzato della ventola riduce i requisiti di potenza della ventola del 65%. Una caratteristica di progettazione importante è lo spazio tra le lame e l'alloggiamento. Lo spazio tra l'alloggiamento e le pale del ventilatore deve essere mantenuto il più piccolo possibile per evitare turbolenze e ridurre il riflusso.
—— Scegliere cuscinetti a basso attrito per le velocità operative
I cuscinetti a sfere o a rulli vengono utilizzati nei motori ad alta efficienza e sono costituiti da un anello interno ed esterno e da una gabbia contenente rulli o sfere in acciaio o ceramica. L'anello esterno è collegato allo statore e l'anello interno è collegato al rotore. Quando l'albero ruota, ruota anche l'elemento e l'attrito della rotazione dell'albero è ridotto al minimo. Hanno una lunga durata e bassi costi di manutenzione.
Le applicazioni ad alta precisione consentono traferri minimi. Il ritiro e l'espansione termica influiscono sull'accoppiamento dell'albero e dell'alloggiamento, nonché sul gioco interno dei cuscinetti. La potenza erogata controlla le dimensioni dell'albero e il foro del cuscinetto.
L'entità e la direzione del carico determinano la dimensione e il tipo del cuscinetto. Considerare forze aggiuntive come traferri asimmetrici che causano attrazione magnetica, forze sbilanciate, errori di beccheggio degli ingranaggi e carichi di spinta. Per i calcoli del carico sul cuscinetto, l'albero è considerato come una trave supportata su supporti rigidi privi di momento. I cuscinetti a sfere sono più adatti per applicazioni ad alta velocità rispetto ai cuscinetti a rulli.
I fattori legati all'alta velocità includono il design della gabbia, i lubrificanti, la precisione di funzionamento, gli spazi liberi, la frequenza di risonanza e l'equilibrio. I cuscinetti richiedono un carico minimo, quindi gli elementi volventi ruotano per formare un film lubrificante invece di scivolare, il che aumenta la temperatura di esercizio e degrada l'olio lubrificante. Il carico minimo consentito è pari a 0.01 volte il coefficiente di carico radiale dinamico del cuscinetto a sfere. Ciò è particolarmente importante quando il cuscinetto si avvicina al 70% della potenza consigliata.
Conoscere l'intervallo di temperatura ambiente e l'intervallo di temperatura operativa normale aiuterà a determinare il metodo di lubrificazione più efficace per il cuscinetto: olio o grasso, mentre l'intervallo di temperatura operativa normale per i motoriduttori considerati in generale è compreso tra -25 e 40°C. I grassi sintetici offrono buone prestazioni in un ampio intervallo di temperature e consentono facilità di manutenzione, pulizia, perdite ridotte e protezione dalla contaminazione.
—— Utilizzare macchine equilibratrici di alta qualità, equilibratrici secondo standard elevati e velocità di funzionamento del motore
Rumore e vibrazioni si verificano quando il centro dell'albero non coesiste con l'asse di rotazione. Il bilanciamento ha un impatto limitato sull'efficienza, ma influisce sul rumore di funzionamento e sull'aspettativa di vita, il che è importante anche per massimizzare l'uso delle risorse.
Le letture delle vibrazioni dei cuscinetti vengono solitamente effettuate su tre piani: verticale, orizzontale e assiale. La vibrazione verticale può indicare un problema di montaggio, la vibrazione orizzontale può indicare un problema di bilanciamento e la vibrazione assiale può indicare un problema al cuscinetto.
L'equilibrio alle velocità operative è importante perché anche le forze centripete nei cuscinetti possono causare squilibrio.
—— Progettazione ottimale dei lamierini del rotore che presentano un campo magnetico sinusoidale
I motori sincroni con magneti permanenti ad alte prestazioni hanno distribuzione del flusso sinusoidale e forza elettromotrice. Per gli avvolgimenti distribuiti, gli avvolgimenti dello statore sono generalmente gli stessi degli avvolgimenti del motore asincrono, il che riduce le vibrazioni, il rumore e i costi di manutenzione e migliora le prestazioni complessive.
—— Selezione di magneti in terre rare e in ferrite (ceramica).
Nei motori vengono utilizzati magneti al neodimio, terre rare, samario-cobalto o magneti in ferrite (ceramica). I magneti delle terre rare sono due o tre volte più potenti dei magneti permanenti in ferrite o ceramica, ma sono più costosi.
I magneti in samario cobalto sono la scelta migliore per applicazioni ad alta temperatura grazie alla loro elevata densità di energia, resistenza alla temperatura da 250 a 550°C, piccola diminuzione dei parametri dovuta all'aumento della temperatura e protezione dall'ossidazione, la scelta del samario cobalto o del neodimio come magnete il magnete del motore deve soddisfare i requisiti di temperatura di lavoro e resistenza alla corrosione.
I magneti al neodimio di bassa qualità possono iniziare a perdere la loro "forza" se riscaldati oltre gli 80°C, i magneti al neodimio di alta qualità funzionano a temperature inferiori a 220°C. I magneti in ferrite o ceramica sono ampiamente accettati grazie alla loro forte resistenza elettrica, buona smagnetizzazione, elevata resistenza alla corrosione e basso costo.
La perdita magnetica si verifica quando si opera a temperature superiori a 250°C, ma ritorna quando il magnete viene raffreddato a una temperatura inferiore. A meno che il circuito non sia progettato per condizioni estreme, la bassa temperatura di -40°C può causare una perdita permanente della forza del magnete permanente.
—— Il motore necessita di un inverter
L'unità di azionamento dell'inverter non presenta perdite durante il funzionamento a vuoto/arresto e si prevede un risparmio energetico fino al 30% sostituendo gli attuali azionamenti trifase alimentati dalla rete. Le caratteristiche dell'unità motrice la rendono ideale per l'azionamento di pompe e ventilatori in funzionamento continuo. Non sono necessari componenti aggiuntivi come encoder. Un ingombro fino al 25% consente un design della macchina più compatto. I motori sono ben controllati e combinati con un'unità di controllo dell'azionamento sensorless, offrono eccellenti prestazioni reali anche a basse velocità, con dinamiche impressionanti sotto carichi pulsati e cambi di velocità.
—— Scegli un inverter in grado di fornire un funzionamento senza sensori
L'unità può "rilevare automaticamente" e tracciare la posizione del magnete permanente del rotore. Ciò è essenziale per un avviamento regolare del motore, consentendo anche la produzione di una coppia ottimale e quindi di un'efficienza ottimale.
L'assenza di sensori di posizione o velocità riduce i costi e aumenta l'affidabilità del sistema di azionamento. Poiché l'efficienza continua ad aumentare, diventa sempre più importante programmare le impostazioni del controller per un motore specifico per un'efficienza ottimale.
ENNENG si dedica alla ricerca e allo sviluppo di vari motori speciali a magneti permanenti ad alta e bassa tensione, bassa velocità e coppia elevata, motori a magneti permanenti a velocità costante e motori speciali a magneti permanenti ad azionamento diretto.
I motori a magneti permanenti ENNENG sono ampiamente utilizzati nelle famose aziende cinesi in diversi campi, tra cui miniere d'oro, miniere di carbone, fabbriche di pneumatici, pozzi petroliferi e impianti di trattamento delle acque, avvantaggiando i clienti in termini di risparmio energetico e protezione ambientale.
