Как сделать реально работающий магнитный двигатель

миф или реальность, устройство, виды

Идея разработки вечного бестопливного двигателя не нова, за разработку такого агрегата во все времена брались именитые ученные своего времени. Однако ни технических средств для реализации задумки, не возможностей того времени не хватало. В некоторых случаях дело доходило только до теоретического обоснования, но существуют примеры реально разработанных альтернативных двигателей, которые призваны создать конкуренцию классическим электрическим машинам. Одним из таких вариантов является магнитный двигатель.

Миф или реальность?

Вечный двигатель знаком практически каждому еще со школьной скамьи, только на уроках физики четко утверждалось, что добиться практической реализации невозможно из-за сил трения в движущихся элементах. Среди современных разработок магнитных моторов представлены самоподдерживающие модели, в которых магнитный поток самостоятельно создает вращательное усилие и продолжает себя поддерживать в течении всего процесса работы. Но основным камнем преткновения является КПД любого двигателя, включая магнитный, так как он никогда не достигает 100%, со временем мотор все равно остановится.

Поэтому все практические модели требуют повторного вмешательстве через определенное время или каких-либо сторонних элементов, работающих от независимого источника питания. Наиболее вероятным вариантом бестопливных двигателей и генераторов выступает магнитная машина. В которой основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.

Актуальным примером реализации являются декоративные украшения, выполненные в виде постоянно двигающихся шаров, рамочек или других конструкций. Но для их работы необходимо использовать батарейки, которые питают постоянным током электромагниты. Поэтому далее рассмотрим тот принцип действия, который подает самые обнадеживающие ожидания.

Устройство и принцип работы

Сегодня существует достаточно большое количество магнитных двигателей, некоторые из них схожи, другие имеют принципиально отличительную конструкцию.

Для примера мы рассмотрим наиболее наглядный вариант:

Принцип действия магнитного двигателя

Как видите на рисунке, мотор состоит из следующих компонентов:

Магнит статора здесь только один и расположен он на пружинном маятнике, но такое размещение требуется только в экспериментальных целях. Если вес ротора окажется достаточным, то инерции движения хватит для преодоления самого малого расстояния между магнитами и статор может иметь стационарный магнит без маятника.
Ротор дискового типа из немагнитного материала.
Постоянные магниты, установленные на роторе в форме улитки в одинаковое положение.
Балласт — любой увесистый предмет, который даст нужную инерционность (в рабочих моделях эту функцию может выполнять нагрузка).

Все, что нужно для работы такого агрегата, придвинуть магнит статора на достаточное расстояние к ротору в точке самого наибольшего удаления, как показано на рисунке. После этого магниты начнут притягиваться по мере приближения формы улитки по кругу, и начнется вращение ротора. Чем меньше размер магнитов и чем более плавная форма получится, тем легче произойдет движение. В месте максимального сближения на диске установлена собачка, которая сместит маятник от нормального положения, чтобы магниты на притянулись в статическое положение.

Разновидности магнитных двигателей и их схемы

Сегодня существует много моделей бестопливных генераторов, электрических машин и моторов, чей принцип действия основан на природных свойствах постоянных магнитов. Некоторые варианты были спроектированы именитыми ученными, достижения которых стали основополагающим камнем в фундаменте науки. Поэтому далее мы рассмотрим самые популярные из них.

Николы Тесла

В данном примере мы рассмотрим одну из разработок известного ученого, конструкция которой приведена на рисунке ниже:

Магнитный двигатель Тесла

Конструктивно магнитный двигатель Тесла состоит из таких элементов:

электрического генератора, который представлен двумя дисками из проводника, помещенными в униполярной магнитной среде;
гибкого ремня, изготовленного из проводящего материала, расположенного по периферии дисков;

независимых магнитов, сохраняющих униполярность полей при вращении дисков.

Такой двигатель, по словам изобретателя, может функционировать и в качестве генератора, вырабатывая электрическую энергию при вращении дисков.

Минато

Этот пример нельзя назвать самовращающимся двигателем, так как для его работы требуется постоянная подпитка электрической энергией. Но такой электромагнитный мотор позволяет получать значительную выгоду, затрачивая минимум электричества для выполнения физической работы.

Схема двигателя Минато

Как видите на схеме, особенностью этого вида является необычный подход к расположению магнитов на роторе. Для взаимодействия с ним на статоре возникают магнитные импульсы за счет кратковременной подачи электроэнергии через реле или полупроводниковый прибор.

При этом ротор будет вращаться, пока его элементы не размагнитятся. Сегодня все еще ведутся разработки по улучшению и повышению эффективности устройства, поэтому назвать его полностью завершенным нельзя.

Николая Лазарева

Это не только простейший гравитационный двигатель, но и одна из реально работающих моделей вечного двигателя. Пример приведен на рисунке ниже:

Двигатель Лазарева

Как видите, для изготовления такого двигателя или генератора вам потребуется:

колба;
жидкость;
трубка;
прокладка из пористого материала;

крыльчатка и нагрузка на вал.

Принцип действия заключается в том, что вода по тонкой трубке из-за избытка давления будет подниматься вверх и скапывать на прокладку и вращать крыльчатку. Далее вода будет просачиваться сквозь губку и под воздействием магнитного поля Земли дальше стекать в нижний резервуар. Цикл будет повторяться до тех пор, пока жидкость не исчезнет, что в идеально герметичном контуре не произойдет никогда. Для усиления момента на вращаемый вал добавляют магнитные усилители.

Говарда Джонсона

В своих исследованиях Джонсон руководствовался теорией потока непарных электронов, действующих в любом магните. В его двигателе обмотки статора формируются из магнитных дорожек. На практике эти агрегаты получили реализацию в конструкции роторного и линейного двигателя. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже:

Двигатель Джонсона

Как видите, на оси вращения в двигателе устанавливаются сразу и статор и ротор, поэтому классически вал вращаться здесь не будет. На статоре магниты повернуты одноименным полюсом к роторным, поэтому они взаимодействуют на силах отталкивания. Особенность работы ученого заключалась в длительном вычислении расстояний и зазоров между основными элементами мотора.

Перендева

Данный вид двигателя, как и предыдущий, представляет собой еще одну модель магнитного взаимодействия между статором и ротором, где обе части содержат постоянные магниты. Схема конструкции обоих представляет собой диск или кольцо, в котором точечно устанавливаются вектолиты.

Магниты статора и ротора в двигателе Переднева

Как видите на рисунке, положение активных элементов имеет угол смещения, который и определяет эффективность вращения машины. Взаимодействие магнитных потоков в двигателе происходит при задании начального крутящего момента. Точность положения и угла наклона можно отстроить только в лабораторных или заводских условиях.

Василия Шкондина

Получить вечный генератор Василию Шкодину не удалось, КПД такого магнитного двигателя и сегодня не превышает 83%. Но и этого более чем достаточно, чтобы его повсеместно применяли для велосипедов, байков и самокатов. Он может эксплуатироваться как в режиме тяги, так и для рекуперации электроэнергии.

Двигатель Шкондина

На рисунке приведена конструкция магнитного двигателя Шкодина, как видите, и ротор и статор представляют собой кольца. Из магнитных деталей он содержит 1 неодимовых магнитов. Ротор устройства содержит 6 электромагнитов, смещенных на одинаковое расстояние друг относительно друга.

Свинтицкого

Еще в конце 90-х украинский конструктор предложит модель самовращающегося магнитного двигателя, который стал настоящим прорывом в технике. За основу им был взят асинхронный двигатель Ванкеля, которому не удалось решить проблему с преодолением 360° оборота.

Игорь Свинтицкий эту проблему реши и получил патент, обратился в ряд компаний, однако асинхронное магнитное чудо техники никого не заинтересовало, поэтому проект был закрыт и за его масштабное тестирование ни одна компания не взялась.

Джона Серла

От электрического мотора такой магнитный двигатель отличает взаимодействие исключительно магнитного поля статора и ротора. Но последний выполняется наборными цилиндрами с таблетками из специального сплава, которые создают магнитные силовые линии в противоположном направлении. Его можно считать синхронным двигателем, так как разница частот в нем отсутствует.

Двигатель Серла

Полюса постоянных магнитов расположены так, что одни толкает следующий и т.д. Начинается цепная реакция, приводимая в движение всю систему магнитного двигателя , до тех пор, пока магнитной силы будет хватать хотя бы для одного цилиндра.

Алексеенко

Интересный вариант магнитного двигателя представил ученый Алексеенко, который создал устройство с роторными магнитами необычной формы.

Двигатель Алексеенко

Как видите на рисунке, магниты имеют необычную изогнутую форму. Которая максимально сближает противоположные полюса. Что делает магнитные потоки в месте сближения значительно сильнее. При начале вращения отталкивание полюсов получается значительно большим, что и должно обеспечить непрерывное движение по кругу.

Несколько видео идей

Магнитный двигатель в стиле Перендева «Генератор свободной энергии»

Это то, на что я смотрел 3 или 4 года назад, а потом забыл. Я использовал программу в стиле CAD, которая выполняет элементный анализ и складывает векторы магнитных сил. Если вы посмотрите на некоторые «работы» двигателя Перендева в сети, возникает проблема с поиском расположения магнитов, чтобы они не находили локальный минимум в поле градиента и не «застревали там». ; решения обычно включали использование нескольких «роторов» (обычно 3) с шахматной конфигурацией внешних магнитов статора.Я подумал: «Почему бы не расшатать магниты на одной паре ротор / статор таким образом, чтобы одна пара никогда не находила локальный минимум при полном обороте?». Программное обеспечение (Vizimag) может сообщить вам суммарный вектор силы на каждом магнитном элементе на диаграмме.

Идея состоит в том, что внешнее кольцо будет закреплено на кольце, называемом статором, а внутреннее кольцо будет на другом кольце, но прикреплено к вращающейся оси, которая может приводить в движение генератор.

Учитывая, что внешнее кольцо будет зафиксировано, я использовал Vizimag, чтобы определить компоненты силы x & y на каждом из внутренних магнитов, выполнил простой триггер и получил полную тангенциальную силу на роторе.Поскольку тангенциальная сила каждого магнита действует вдоль тангенса внутреннего кольца, к которому они прикреплены, вы можете просто сложить их все вместе и посмотреть, есть ли ненулевая тангенциальная сила в одном направлении вращения. Используя значения параметров для настоящих редкоземельных магнитов , Визимаг сказал, что общая чистая тангенциальная сила на внутреннем роторе составляла сотни футов (не дюймов) фунтов крутящего момента для 12-дюймового ротора с магнитами 1 ″ x 3 ″ типичной гауссовой силы « редкоземельный магнит », которую я только что нашел в сети в магазине розничной торговли этими магнитами.Магниты статора имеют размер 1 ″ x 2 ″.

Некоторые заметки:

1) Общее количество магнитов - 33. Я полагал, что вещи спрятаны в числе 33.

2) 15 магнитов внутри, 18 снаружи. Находится на одинаковом расстоянии от # 3 ниже настройки референта.

3) Первый внутренний магнит, горизонтальный в верхнем правом квадранте, указывает на внешний край внутреннего кольца под углом 32 градуса.

4) Другие конструкции, о которых я читал, имели магниты, обращенные непосредственно к внутренним и внешним кольцамХотя это может вызвать отталкивание в одном направлении, если все они будут идеально выровнены, оно также автоматически создает локальный минимум или баланс силы между магнитами, когда они находятся под углом «между» друг другом. Таким образом, внутренняя ось будет просто вращаться в промежуточное положение и затем принудительно ОСТАНОВИТЬ. Для этого требовалось, чтобы еще 2 или 3 комбинации дисков / колец были расположены в шахматном порядке относительно друг друга вдоль соединительной оси привода, чтобы, когда один диск хотел прекратить вращение, другие продолжали толкать.

5) Почему бы тогда не поразить магниты на одном диске? Вот что я попробовал. В результате, когда внутренний ротор вращается относительно статора, в то время как общая тангенциальная сила в направлении против часовой стрелки изменяется по величине, он никогда не меняет направление. Если несколько магнитов начинают отталкивать в неправильном направлении, всегда есть больше магнитов с большей суммарной силой, толкающей в первоначальном направлении.2

6) Я отправил электронное письмо парню, который написал программное обеспечение CAD для магнитной силы (Vizimag), и спросил его, будет ли эта установка вращаться.Он сказал, что я вижу ошибку округления. Я не верю ему. Эта сетка-сетка для элементного анализа - лучшее, что позволяет программа. Я знаю, как работает элементный анализ. Если у его программного обеспечения есть проблема округления в сотнях фунтов силы, когда сила каждого магнита составляет всего несколько фунтов, это не будет работать вообще.

7) Поэтому лучший способ узнать - это делать. Я не сделал, но кто-то должен, просто для удовольствия. Возможно, это действительно не сработает, но, эй, это все еще веселый гараж.Некоторый высокопрочный пластик мог быть обработан, чтобы соответствовать магнитам. И т. Д., Механические вещи.

8) Вращающиеся магниты вызовут огромную ЭДС. Это может быть воспринято «властями» как радиоизлучение. Поэтому проведите тест внутри клетки Фарадея или вне страны, находящейся далеко от всего, а затем быстро и уходите. Магнитная ЭДС может также иметь проблемы со здоровьем ... так что ... может не хотеть подходить слишком близко. Это также может выглядеть как оружие EMP… или, будет оружием EMP.Это создало бы смехотворно огромный вращающийся вихрь магнитной энергии, истекающей вдоль оси при вращении со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту…

10) Если он действительно вращается, то как долго работают магниты? Насколько постоянны постоянные магниты? Сколько энергии требуется для создания / производства синтетического постоянного магнита по сравнению с тем, сколько энергии вы получаете от этой конструкции, подключенной к генератору? Для всех людей, желающих получить машину с бесплатной энергией ... ну ... попробуйте и дайте нам знать результаты, хе-хе.Вы можете использовать этот дизайн свободно.

Вектор силы получается из анализа элементов. Предполагается, что на этой диаграмме магниты статора имеют размеры 1 "на 2". Это всего лишь один угол поворота, который был рассчитан для векторов силы для отображения здесь - весь поворот фактически рассчитывался с шагом в 1 градус, и все углы приводили к чистой тангенциальной силе, аналогичной приведенной выше ... в том же направлении.

Следующие два изображения являются GIF-файлами и должны анимироваться - если они не анимируются, нажмите на них или откройте их на новой вкладке ... они могут занять минуту или две, чтобы загрузить все кадры.

Это .gif и он должен оживить; если это не анимация, нажмите на нее и посмотрите, появится ли она на новой странице. Загрузка может занять минуту, так как это большой файл.

Во всяком случае, просто опубликовать это здесь, потому что я лежал на рабочем столе в течение последних нескольких лет. Я честно не знаю, сработает ли это или нет.Анализ магнитной силы говорит, что, но эй, модели вряд ли что-то пройти

Нравится:

Нравится Загрузка ...

Control Engineering | Понимание двигателей с постоянными магнитами

Кристофер Ящольт, Yaskawa America Inc. 31 января 2017 г.

Управление скоростью двигателей переменного тока в большинстве случаев осуществляется с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП). Хотя многие сценарии предусматривают использование ЧРП с асинхронными двигателями с обмотками статора для генерации вращающегося магнитного поля, они также могут обеспечить точное управление скоростью с помощью датчиков обратной связи по скорости или положению в качестве эталона для ЧРП.

В некоторых ситуациях можно получить сравнительно точное регулирование скорости без необходимости использования датчиков обратной связи. Это стало возможным благодаря использованию двигателя с постоянными магнитами (PM) и процесса, называемого «метод ввода высокочастотного сигнала».

Индукционные машины

Индукционная машина переменного тока (IM) также обычно называется двигателем переменного тока. Вращающееся поле создается обмоткой статора. Вращающееся поле индуцирует ток в стержнях ротора.Генерация тока требует разности скоростей между ротором и магнитным полем. Взаимодействие между полем и током создает движущую силу. Поэтому асинхронные машины переменного тока являются преобладающим двигателем, управляемым приводами с регулируемой скоростью.

PM двигатели

Двигатель с постоянным магнитом - это двигатель переменного тока, в котором используются магниты, встроенные или прикрепленные к поверхности ротора двигателя. Магниты используются для генерации постоянного магнитного потока двигателя вместо того, чтобы требовать, чтобы поле статора генерировало магнитное поле путем соединения с ротором, как в случае с асинхронным двигателем.Четвертый двигатель, известный как двигатель с линейным запуском (LSPM), включает в себя характеристики обоих двигателей. Двигатель LSPM включает в себя магниты двигателя РМ внутри ротора и стержни ротора двигателя с короткозамкнутым ротором, чтобы максимизировать крутящий момент и эффективность (см. Таблицу 1).

Флюс, флюсовая связь и магнитный поток

Чтобы понять работу двигателей с постоянными магнитами, важно сначала понять понятия магнитного потока, связи потока и магнитного потока.

Поток: Поток тока через проводник создает магнитное поле.Поток определяет скорость потока имущества на единицу площади. Ток потока - это скорость тока, протекающего через данную площадь поперечного сечения проводника.

Потоковая связь: Потоковая связь возникает, когда магнитное поле взаимодействует с материалом, например, что происходит, когда магнитное поле проходит через катушку с проволокой. Связь потока определяется числом обмоток и потоком, где ϕ используется для указания мгновенного значения изменяющегося во времени потока. Поток связи определяется следующим уравнением:

Магнитный поток: Магнитный поток определяется как скорость магнитного поля, протекающего через площадь поперечного сечения данного проводника.Поле магнитного потока создается постоянным магнитом внутри или на поверхности двигателя с постоянным магнитом.

Индуктор: Индуктор - это элемент схемы, который состоит из проводящего провода, обычно в форме катушки. Проводник, несущий постоянный ток, будет генерировать постоянное магнитное поле. Можно показать, что магнитное поле и ток, который его вызвал, линейно связаны. Изменение магнитного поля будет вызывать напряжение в соседнем проводнике, пропорциональное скорости изменения тока, создавшего магнитное поле.Напряжение в проводнике определяется по следующему уравнению:

Индуктивность: Индуктивность (L) - это константа пропорциональности, которая определяет соотношение между напряжениями, вызванными скоростью изменения тока, создавшего магнитное поле. Проще говоря, индуктивность - это магнитная связь на единицу тока. Должно быть ясно, что индуктивность является пассивным элементом и является чисто геометрическим свойством. Индуктивность измеряется в Генри (H) или Веб-витках на ампер.

Ось d и ось q: В геометрическом выражении оси «d» и «q» представляют собой однофазные представления потока, вносимые тремя отдельными величинами синусоидальной фазы с одинаковой угловой скоростью. Ось d, также известная как прямая ось, является осью, по которой поток создается обмоткой возбуждения. Ось q или квадратурная ось - это ось, на которой создается крутящий момент. По соглашению, квадратурная ось всегда будет вести прямую ось электрически на 90 градусов.Проще говоря, ось d является основным направлением потока, а ось q является основным направлением создания крутящего момента.

Магнитная проницаемость: В электромагнетизме проницаемость - это мера способности материала поддерживать формирование магнитного поля внутри себя. Следовательно, это степень намагниченности, которую материал получает в ответ на приложенное магнитное поле.

PM эквивалентная схема двигателя: Двигатель с постоянным магнитом может быть представлен в нескольких различных моделях двигателей.Одним из наиболее распространенных методов является модель двигателя d-q.

PM двигатель индуктивность по оси d и по оси q: Индуктивности по оси d и оси q - это индуктивности, измеренные при прохождении пути потока через ротор относительно магнитного полюса. Индуктивность по оси d - это индуктивность, измеряемая при прохождении потока через магнитные полюса. Индуктивность по оси q является мерой индуктивности, когда поток проходит между магнитными полюсами.

В индукционной машине связь потока ротора будет одинаковой между осью d и осью q.Однако в машине с постоянными магнитами магнит уменьшает доступное железо для флюсовой связи. Проницаемость магнита близка к воздухопроницаемости. Следовательно, магнит можно рассматривать как воздушный зазор. Магнит находится на пути потока, поскольку он проходит через ось d. Путь потока, проходящий через ось q, не пересекает магнит. Следовательно, большее количество железа может быть связано с траекторией потока по оси q, что приводит к большей индуктивности. Двигатель со встроенным магнитом будет иметь большую индуктивность по оси q, чем индуктивность по оси d.Двигатель с поверхностными магнитами будет иметь почти одинаковые индуктивности по осям q и d, поскольку магниты находятся за пределами ротора и не ограничивают количество железа, связанного полем статора.

Магнитная значимость: Значимость или значимость - это состояние или качество, по которым что-то выделяется по сравнению с соседями. Магнитная зависимость описывает взаимосвязь между индуктивностью основного потока ротора (ось d) и индуктивностью основного крутящего момента (ось q).Магнитная значимость варьируется в зависимости от положения ротора относительно поля статора, где максимальная значимость наблюдается при 90 градусах от главной оси потока (ось d) (см. Рисунок 1).

Ток возбуждения: Ток возбуждения - это «ток в обмотках статора, необходимый для создания магнитного потока в сердечнике ротора». Машины с постоянными магнитами не требуют тока возбуждения в обмотке статора, потому что магниты двигателя PM уже генерируют постоянное магнитное поле.

Вторичный ток: Вторичный ток, также известный как «ток, создающий крутящий момент», - это ток, необходимый для создания крутящего момента двигателя. В машине с постоянными магнитами токи, создающие крутящий момент, составляют большую часть потребляемого тока.

Ток ввода: В отличие от усилителя и сервопривода, предназначенного для управления движением, обычный ЧРП не имеет информации о положении магнитного полюса ротора двигателя.Без знания положения магнитного полюса в статоре невозможно создать поле для максимизации крутящего момента. Следовательно, ЧРП обладает способностью обеспечивать постоянное напряжение для фиксации магнитного поля в известном положении. Потребляемый ток, необходимый для затягивания ротора, называется «током втягивания».

Высокочастотный впрыск: Высокочастотный впрыск - это методология инвертора, используемая для определения положения магнитного полюса двигателя с постоянными магнитами. Способ начинается с подачи инвертором высокочастотного низковольтного сигнала в двигатель по произвольной оси.Затем инвертор поворачивает угол возбуждения и контролирует ток.

В зависимости от угла впрыска импеданс ротора изменяется. Полное сопротивление клеммы электродвигателя внутреннего постоянного магнита (IPM) уменьшается, когда ось ввода высокочастотного сигнала и ось магнитного полюса (ось d) совмещены, то есть при 0 град. Импеданс максимален при ± 90 град. Используя эту характеристику, привод может определять положение ротора без импульсных датчиков путем подачи высокочастотного переменного напряжения / тока на двигатель IPM.Кроме того, метод ввода высокочастотного сигнала может использоваться для определения скорости в области низких скоростей, где обычно очень сложно контролировать крутящий момент при полной нагрузке, поскольку уровень напряжения обратной ЭДС двигателя слишком низок.

Форма волны обратной ЭДС

ПротивоЭДС - это сокращение от обратной электродвижущей силы, но также известно как противоэлектродвижущая сила. Противоэлектродвижущая сила - это напряжение, которое возникает в электродвигателях при относительном движении между обмотками статора и магнитным полем ротора.Геометрические свойства ротора будут определять форму волны обратной ЭДС. Эти сигналы могут быть синусоидальными, трапециевидными, треугольными или что-то среднее между ними.

Как индукционные, так и PM машины генерируют сигналы обратной ЭДС. В индукционной машине форма волны обратной ЭДС затухает по мере того, как остаточное поле ротора медленно затухает из-за отсутствия поля статора. Тем не менее, с машиной PM, ротор генерирует свое собственное магнитное поле. Следовательно, напряжение может быть индуцировано в обмотках статора, когда ротор находится в движении.Напряжение противо-ЭДС будет расти линейно со скоростью и является решающим фактором при определении максимальной рабочей скорости.

Понимание PM машины крутящего момента

Крутящий момент электрической машины можно разделить на две составляющие: магнитный момент и момент сопротивления. Момент реактивного сопротивления - это «сила, действующая на магнитный материал, которая стремится совмещаться с основным магнитным потоком, чтобы минимизировать сопротивление». Другими словами, реактивный крутящий момент - это крутящий момент, создаваемый выравниванием вала ротора с полем потока статора.Магнитный крутящий момент - это «крутящий момент, создаваемый взаимодействием между магнитным полем магнита и током в обмотке статора».

Крутящий момент реактивного сопротивления: Крутящий момент реактивного сопротивления относится к крутящему моменту, возникающему при выравнивании ротора, который возникает, когда магнитное поле создает желательный прямой поток от северного полюса статора к южному полюсу статора.

Магнитный момент: Постоянные магниты создают поле потока в роторе.Статор генерирует поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора. Изменение положения поля статора относительно поля ротора вызывает смещение ротора. Сдвиг из-за этого взаимодействия является магнитным моментом.

SPM против IPM

Двигатель с постоянными магнитами можно разделить на две основные категории: наземные двигатели с постоянными магнитами (SPM) и внутренние двигатели с постоянными магнитами (IPM) (см. Рисунок 3). Ни один тип конструкции двигателя не содержит стержней ротора. Оба типа генерируют магнитный поток постоянными магнитами, прикрепленными к ротору или внутри него.

Двигатели SPM

имеют магниты, прикрепленные к внешней поверхности ротора. Из-за этого механического монтажа их механическая прочность ниже, чем у двигателей IPM. Ослабленная механическая прочность ограничивает максимальную безопасную механическую скорость двигателя. Кроме того, эти двигатели имеют очень ограниченную магнитную значимость (L _d ≈ L _q). Измеренные значения индуктивности на клеммах ротора не зависят от положения ротора. Из-за коэффициента значимости, близкого к единице, конструкции двигателей SPM в значительной степени, если не полностью, используют магнитную составляющую крутящего момента для создания крутящего момента.

Двигатели

IPM имеют постоянный магнит, встроенный в сам ротор. В отличие от своих аналогов SPM, расположение постоянных магнитов делает двигатели IPM очень механически надежными и пригодными для работы на очень высоких скоростях. Эти двигатели также определяются их относительным высоким коэффициентом магнитного сопротивления (L _q> L _d). Благодаря своей магнитной силе двигатель IPM способен генерировать крутящий момент, используя преимущества как магнитного, так и реактивного крутящего момента двигателя (см. Рисунок 4).

PM моторные конструкции

Моторные конструкции

PM можно разделить на две категории: внутренние и наружные. Каждая категория имеет свое подмножество категорий. Поверхностный двигатель с постоянным магнитом может иметь свои магниты на поверхности ротора или вставляться в него, чтобы повысить надежность конструкции. Внутреннее расположение и конструкция двигателя с постоянными магнитами могут сильно различаться. Магниты двигателя IPM могут быть вставлены в виде большого блока или расположены в шахматном порядке по мере приближения к сердечнику.Другой метод заключается в том, чтобы они были встроены в шаблон спиц.

PM изменение индуктивности двигателя с нагрузкой

Только такой большой поток может быть связан с железкой для создания крутящего момента. В конце концов, железо будет насыщаться и больше не позволит флюсу связываться. Результатом является уменьшение индуктивности пути, пройденного магнитным полем. В машине с постоянными магнитами значения индуктивности по оси d и по оси q будут уменьшаться с увеличением тока нагрузки.

Индуктивности осей d и q двигателя SPM практически идентичны.Поскольку магнит находится за пределами ротора, индуктивность оси q будет падать с той же скоростью, что и индуктивность оси d. Однако индуктивность двигателя IPM будет уменьшаться по-разному. Опять же, индуктивность по оси d, естественно, ниже, потому что магнит находится на пути потока и не генерирует индуктивное свойство. Следовательно, в оси d меньше железа для насыщения, что приводит к значительно меньшему уменьшению потока по отношению к оси q.

Ослабление потока / усиление двигателей с постоянными магнитами

Поток в двигателе с постоянными магнитами генерируется магнитами.Поле потока следует определенному пути, который можно усилить или противопоставить. Увеличение или усиление поля магнитного потока позволит двигателю временно увеличить крутящий момент. Противодействие магнитному полю сведет на нет существующее магнитное поле двигателя. Уменьшенное магнитное поле ограничит производство крутящего момента, но уменьшит напряжение обратной ЭДС. Пониженное напряжение обратной эдс освобождает напряжение, чтобы заставить двигатель работать на более высоких выходных скоростях. Оба типа работы требуют дополнительного тока двигателя. Направление тока двигателя через ось d, обеспечиваемое контроллером двигателя, определяет желаемый эффект.

Угол возбуждения

Угол возбуждения - это угол, под которым векторная сумма сигналов d-оси и q-оси возбуждается к двигателю относительно оси d. Ось d всегда рассматривается там, где существует магнит. Максимальный магнитный поток достигается на оси q, которая составляет 90 электрических градусов от оси d. Поэтому в большинстве эталонов угла возбуждения уже учитывается разница в 90 градусов от оси d к оси q.

Фазовый угол и крутящий момент

Магнитный крутящий момент увеличивается, когда поле статора возбуждает электродвигатель ротора на 90 град. От оси d (положение магнита двигателя).Момент неохотности следует по другому пути и максимизируется на 45 градусов ниже оси q. Максимальный магнитный момент использует как сопротивление двигателя, так и магнитные моменты. Сдвиг дальше от оси q уменьшает магнитный момент, но значительно превосходит усиление реактивного крутящего момента. Максимальный суммарный магнитный и реактивный крутящий момент возникает около 45 электрических градусов от оси q, но точный угол будет зависеть от характеристик двигателя с постоянными магнитами.

IPM плотность мощности двигателя

Мощность двигателя двигателя с постоянными магнитами зависит от конфигурации магнитов двигателя и результирующей значимости двигателя.Двигатели с высоким коэффициентом значимости (Lq> Ld) могут повысить КПД двигателя и выработку крутящего момента за счет включения реактивного крутящего момента двигателя. Инвертор может использоваться для изменения угла возбуждения относительно оси d, чтобы максимизировать как реактивный крутящий момент, так и магнитный крутящий момент двигателя.

PM мотор-магнит типа

В настоящее время для электродвигателей используется несколько типов материалов с постоянными магнитами. Каждый вид металла имеет свои преимущества и недостатки.

Размагничивание постоянным магнитом

Постоянные магниты вряд ли являются постоянными и имеют ограниченные возможности. Определенные силы могут быть приложены к этим материалам, чтобы размагнитить их. Другими словами, можно удалить магнитные свойства материала с постоянными магнитами. Постоянное магнитное вещество может размагничиваться, если материал подвергается значительному напряжению, может достигать значительных температур или подвергается воздействию значительных электрических помех.

Во-первых, натяжение постоянного магнита обычно осуществляется физическими средствами. Магнитный материал может размагничиваться, если не ослабляться, если он испытывает сильные удары / падения. Ферромагнитный материал обладает присущим магнитным свойством. Однако эти магнитные свойства могут излучать в любом множестве направлений. Одним из способов намагничивания ферромагнитных материалов является применение сильного магнитного поля к материалу для выравнивания его магнитных диполей. Выравнивание этих диполей заставляет магнитное поле материала в определенную ванну.Сильное воздействие может устранить атомное выравнивание магнитных доменов материала, что ослабляет напряженность предполагаемого магнитного поля.

Во-вторых, температура также может влиять на постоянный магнит. Температуры заставляют магнитные частицы в постоянном магните возбуждаться. Магнитные диполи обладают способностью выдерживать некоторое количество термического перемешивания. Однако длительные периоды перемешивания могут ослабить силу магнита, даже если хранить его при комнатной температуре. Кроме того, все магнитные материалы имеют порог, известный как «температура Кюри», который является порогом, который определяет температуру, при которой тепловое перемешивание заставляет материал полностью размагничиваться.Такие термины, как коэрцитивность и удерживаемость, используются для определения способности удержания прочности магнитного материала.

Наконец, большие электрические помехи могут вызвать размагничивание постоянного магнита. Эти электрические возмущения могут происходить из материала, взаимодействующего с большим магнитным полем, или если через материал проходит большой ток. Точно так же сильное магнитное поле или ток могут использоваться для выравнивания магнитных диполей материала, другое сильное магнитное поле или ток, приложенный к полю, генерируемому постоянным магнитом, может привести к размагничиванию.

Самозондирование по сравнению с замкнутым циклом

Последние достижения в области приводных технологий позволяют стандартным приводам переменного тока «самостоятельно обнаруживать» и отслеживать положение магнита двигателя. Система с обратной связью обычно использует канал с z-импульсом для оптимизации производительности. Благодаря определенным процедурам привод знает точное положение магнита двигателя, отслеживая каналы A / B и исправляя ошибки с помощью z-канала. Знание точного положения магнита позволяет получить оптимальный крутящий момент, обеспечивающий оптимальную эффективность.

Серводвигатели

Серводвигатели

- это двигатели с постоянными магнитами, используемые для управления движением. Как правило, в конструкции внутреннего / внутреннего двигателя с постоянными магнитами эти двигатели соединены с определенным усилителем как часть согласованного набора для максимизации производительности. Усилитель был точно настроен на двигатель PM для достижения оптимальной производительности его производителем. Конфигурация усилителя движения / сервопривода обычно использует обратную связь двигателя, которая также обеспечивает положение магнитного полюса и обратную связь по скорости.

Кристофер Ящольт - специалист по управлению приводами в Yaskawa America Inc. Он имеет более чем девятилетний опыт управления движением. Помимо своего нынешнего звания, Ящольт работал инженером технической поддержки и прикладным инженером. Он имеет степень бакалавра в Университете Северного Иллинойса, ДеКалб, штат Иллинойс,

Эта статья появляется в приложении Прикладная автоматизация для Control Engineering
и Plant Engineering.