Двигатель на постоянных магнитах без использования электроэнергии: асинхронный, синхронный или на постоянных магнитах?

асинхронный, синхронный или на постоянных магнитах?

Можно ли буксировать электромобили? Зависит от типа двигателя. Да, бывают разные. Если вы только собираетесь покупать электрокар, то знайте: до полной разрядки его лучше не доводить. И вот почему

Автомобили с двигателями внутреннего сгорания допускают буксировку. Если у вас механическая коробка передач, то это самое простое дело: ставите нейтраль в коробке передач или выжимаете сцепление – и ваш мотор оказывается физически отключен от колес, а машина превращается в обычную телегу: тяни не хочу.

С автоматами чуть сложнее, в них полного разрыва связи между колесами и мотором не предусмотрено. Но и они в режиме N позволяют буксировать машину на короткие расстояния и с невысокой скоростью.

Однако в инструкциях к электромобилям вы прочтете, что буксировка или не допускается вовсе, или, как в случае с современными моделями Tesla, допускается со скоростью не более 5 км/ч на расстояние не более 10 метров: иными словами, вы в праве только оттолкать сломанную машину на обочину.

А может ли быть иначе? Да, старые модели Tesla такое позволяли. Как и GM EV1 – легенда электрокаров 90-х годов прошлого века. Так в чем же дело? В типе электрических двигателей. Или, если уж говорить совсем правильно, электрических машин, так как в электромобилях эти устройства служат не только двигателями, но и генераторами. И на современных типах электрокаров встречается три типа таких устройств. Но для начала немного истории.

В 1821 году британский ученый Майкл Фарадей в своей статье впервые описал основные принципы преобразования электроэнергии в движение. Фарадей уже знал, что электрический ток, проходя через проволоку, создает магнитное поле. Закрученный в катушку, такой провод становится электромагнитом.

Он также знал, что противоположные полюса магнитов притягиваются, а одинаковые – отталкиваются. В электромагнитах же полярность зависит от направления движения тока, то есть ее можно быстро менять. И вот что придумал Фарадей. Берем магнит, который движется к другому. В последний момент полярность меняется, но рядом расположен третий магнит, к которому можно тянуться. Затем четвертый, пятый. Эти разнополярные магниты выстроены в линию. И если ее закольцевать, движение будет идти по кругу до тех пор, пока сквозь электромагниты идет ток и пока его направление не перестает меняться.

Чтобы понять, как это действует, представьте, что у вас в руках два школьных магнита в форме подковы или буквы U – помните, были такие. Если их повернуть друг к другу взаимоотталкивающимися полюсами, то они будут стремиться сделать полуоборот, чтобы снова друг к другу притянуться. А теперь представьте, что их полюса постоянно меняются местами: тогда они станут вертеться друг относительно друга. Это и есть электродвигатель.

Так впервые был описан принцип действия всех электромоторов в целом и самого древнего в частности: того, который работает от постоянного тока и использует с одной стороны постоянные магниты из намагниченного сплава, а с другой – переменные электромагниты.

Это наш первый герой: мотор-генератор постоянного тока на перманентных магнитах.

Изобретения Фарадея были развиты его полседователями, в частности изобретателем электрической лампочки Томасом Эдисоном. Эдисон усовершенствовал генераторы постоянного тока и стал пионером в электрификации Нью-Йорка. В 1884 году на пороге его кабинета появился молодой сербский инженер. Звали иммигранта Никола Тесла.

Тесла предложил улучшить конструкцию Эдисона и попросил за работу 50 тысяч долларов – баснословная в те времена сумма. По легенде Эдисон согласился, но когда Тесла действительно существенно улучшил существующую модель, любимец Америки просто кинул безвестного сербского эмигранта.

Тесла рассердился и отправился к главному конкуренту, адепту переменного тока Джорджу Вестингаузу. Так началась «Война токов», окончательно проигранная постоянным током только в 2007 году, когда Нью-Йорк последним из городов перешел на ток переменный.

Генераторы Эдисона вырабатывали электричество с напряжением, близким к потребительскому: 100-200 вольт. Это удобно для домов, но его сложно передавать на большие расстояния из-за сопротивления проводов. Тут было два решения: увеличивать диаметр кабелей или повышать напряжение. Первый вариант позволял делать линии длинной 1,5 километра. Да, совсем немного. Второй вариант был невозможен из-за отсутствия в те годы эффективных способов повышения напряжения постоянного тока.

Однако еще в 1876 году русский ученый Павел Яблочков изобрел трансформатор, меняющий напряжение переменного тока. Подача энергии на большие расстояния перестала быть проблемой.

Но была другая проблема. Лампочкам Эдисона все равно от какого тока питаться: постоянного или переменного. А вот с электродвигателями сложнее: они в те годы требовали только постоянного. В 1888 году Тесла запатентовал в США асинхронный электрический двигатель переменного тока. Он же изобрел и синхронный генератор, впоследствии использованный и как двигатель. Это второй и третий герои нашей статьи.

Так поговорим же о них поподробнее

Если в детстве вам доводилось разбирать игрушечные электрические машинки, то вы должны помнить устройство их простейших двигателей. Для остальных напомним. Все применяемые в электромобилях моторы состоят из двух частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

В игрушечных машинах на статоре стоят постоянные магниты, а на роторе – электрические переменные. При вращении на них через специальные щетки подается постоянный ток от батареек, и их последовательное включение и обеспечивает движение.

Похожая конструкция встречается практически у всех электромобилей. С одним отличием: на роторе там стоят постоянные магниты, а на статоре, напротив, электрические и переменные. Так в том числе можно избавиться от щеток: одного из немногих элементов электродвигателя, который подвержен износу.

Преимущество моторов на постоянных машинах в том, что они легкие, компактные, мощные, эффективные, работают от вырабатываемого аккумуляторами постоянного тока… так, стоп! А какие недостатки?

Недостаток прост. Таким моторам не хватает тяги. Так перейдем же к асинхронным инверсионным моторам переменного тока.

Бородатый анекдот про умирающего мастера заваривать чай, который делился своим секретом словами «не жалейте заварки» – это прям притча про компанию Tesla.

Вопреки расхожему мнению, ее основал не Илон Маск (он позже стал главным инвестором и владельцем), а Мартин Эберхард и его партнер Марк Тарпенинг.

Эти двое придумали немыслимое. Создать не тихоходный, эффективный и относительно дешевый электрокар, а дорогой, быстрый и клевый. Маск же первым идею оценил и быстро прибрал ее к рукам.

Имя компании Tesla не случайно. Одной из ее технических революций стало использование асинхронного двигателя без постоянных магнитов, работающего на переменном токе – того самого, который изобрел Никола Тесла. Эта конструкция дороже как сама по себе, так и благодаря необходимости в установке преобразователя постоянного тока от батареи в переменный для электродвигателя. Успешное решение данной задачи и стало первым из множества теперь уже легендарных прорывов «Теслы».

Благодаря мощному асинхронному мотору электрокары Tesla с самого начала были очень динамичным, что стало ключевой причиной роста их популярности. В таком моторе переменный ток в обмотке статора создает вращающееся магнитное поле. Оно вызывает индукцию в роторе, заставляя его вращаться чуть медленнее, чем вращение самого поля – поэтому двигатель и называется асинхронным. Если скорости вращения синхронизируются, поле перестает создавать в роторе индукцию, и он начинает замедляться, рассинхронизируясь обратно. Важно заметить, что собственно на ротор никакого электричества напрямую не подается.

Итак, есть еще третий тип электрического двигателя, который встречается в современных электромобилях: синхронный на электромагнитах. Он похож по устройству на двигатели с постоянными магнитами на роторе, только эти магниты – электрические. На них подается постоянный ток, так что полярность магнитов ротора остается неизменной. А вот полярность магнитов статора, напротив, меняется, что и обеспечивает вращение.

Такие синхронные моторы на электромагнитах славятся своей способностью обеспечивать стабильность оборотов и ставятся, обычно, на всякие установки вроде насосов. А еще… на электрокар Renault Zoe. Зачем? Честно сказать, найти быстрый ответ на этот вопрос не получилось.

Можем лишь предположить, что это связано с лучшей способностью такого двигателя служить генератором, рекуперируя энергию торможения. Мотор на Zoe не самый мощный, а мощным генератором он быть обязан.

Так что же лучше? Большинство автоконцернов выбирает моторы на постоянных магнитах: они эффективнее. Tesla в первые годы настаивала на асинхронных моторах. Но потом… сделала ставку на двух моторную полнопривродную схему, в которой асинхронный мотор обеспечивает динамику, а двигатель на постоянных магнитах гарантирует низкий расход энергии при небольших нагрузках. И только Renault… ну вы поняли.

А теперь о том, что ждет нас дальше. При буксировке даже обесточенный двигатель на постоянных магнитах тут же начинает работать как генератор, что чревато перегревом и возгоранием энергосистемы электромобиля. В синхронных моторах Renault оставшейся магнетизм в роторе также способен вызвать индукцию в катушках статора, ну и пошло поехало – генерация тока, перегрев, пожар.

И только асинхронные двигатели, когда их статоры не под напряжением, не являются генераторами: их можно буксировать.

Так вот, современная тенденция такова. Моторы на постоянных магнитах становятся все мощнее и тяговитее, оставаясь самыми эффективными. Производители постепенно переходят на них. Но придумать, как машины с ними безопасно буксировать инженерам еще предстоит. Пока они декларируют принцип «Наши электромобили не ломаются и в буксировке не нуждаются». Но звучит не больно убедительно.

Motori Elettrici Magnetici Permanenti Elvem PM

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PM) – инновационный двигатель с точки зрения технологии электродвигателей, в котором сочетается высочайшая точность управления обычной скорости синхронного двигателя с простой конструкцией и надежностью асинхронного двигателя в беличьей клетке.
Механически двигатель PM похож на традиционный асинхронный двигатель с индукцией, тем не менее, с точки зрения производительности может демонстрировать более высокие результаты. Двигатели РМ серии “6S4 – 7S4”состоят из двух роторов с постоянными магнитами, генерирующими постоянное магнитное поле ротор проворачивается на той же скорости магнитного поле, генерируемого обмоткой статоре независимо от крутящего момент, требуемого валом, однако в целом асинхронный двигатель демонстрирует скольжение пропорциональное развиваемому крутящему моменту.  Следовательно, отсутствуюют утечки, связанные с
намагничиванием ротора, что передается в меньшем использовании электроэнергии для производства механической энергии и меньшего нагрева самого двигателя.
Следовательно, синхронизм улучшает динамические характеристики, обеспечивая постоянный момент при обширном диапазоне, высокую производительность в том числе и при низкой частоте (уровень эффективности намного выше, чем у асинхронных двигателей) и без необходимости использования принудительной вентиляции; постоянный момент при различных скоростях вращение ведет к упрощению кинематической цепи, со всеми преимуществами, вытекающими их их эксплуатации.
Постоянные магнитные двигателииспользуются в различных секторах. Особенно это выгодно там, где вес, размеры каркаса и расходы на техобслуживание. В последовательности они хорошо подходят для установки в насосных системах, вентиляции ОВКВ и трансмиссии компрессоры и лифты, а также во многих типах промышленного оборудования, например, для текстильной промышленности, металлургической и бумажно-целлюлозной.
Наиболее существенные конструктивные преимещства, следующие:
• Высокая эффективность
• Высокая производительность при всем диапазоне скоростей, особенно на низких оборотах, когда эффективность выше, чем у асинхронных двигателей.
• Снижение потерь ротора
• Постоянный крутящий моментпри всем диапазоне скоростей
• Высокая удельная мощность
• Точное управление скоростью даже без энкодера
• Снижение перегрева, что ведет к увеличению срока службы изоляции, подшипников и других компонентов двигателя
• Уменьшенные габаритные размеры и вес двигателя
• Быстрая окупаемость
Двигатели с постоянным магнитом РМ могут работать только при помощи инвертора.
Компания Elvem может поставлять собственным клиентам комплексные системы: двигатели РМ со встроенным или отдельным инвертором.

Автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов стал дешевле и эффективнее

Немецкая компания Mahle разработала автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов: он стал дешевле, экономичнее и эффективнее.

Новая разработка должна снизить зависимость от китайских поставок редкоземельных металлов и сделать электромоторы дешевле. Кроме этого, отсутствие постоянных магнитов повысит КПД электродвигателей на всех режимах работы.

Нововведение в разработке электродвигателя заключается в том, что в их подавляющем большинстве используются постоянные магниты преимущественно из редкоземельных металлов.

Их поставками в основном занимается Китай, и очевидно, что страна имеет свое влияние на глобальное производство. Отмечается, что из-за монополии за последнее десятилетие цена на неодим выросла на 750%, а стоимость диспрозия увеличилась на 2 000%. 

Для того, чтобы не использовать магниты, разработчики начали заменять их катушками индуктивности в составе ротора двигателя. У такого подхода есть минусы: для передачи электрического тока на катушки в роторе требуется создать надежные скользящие контактные передачи. Высокие токи и постоянная нагрузка делают такие узлы менее надежными, что недопустимо для электротранспорта с высокой эксплуатационной нагрузкой.

Авторы новой идеи предложили схему индукционной (беспроводной) передачи тока на катушки в роторе, это можно сравнить с беспроводной зарядкой смартфона.  

Во время испытаний новая конструкция показала высокую эффективность: ее КПД на высоких оборотах достигает 95%. Также двигатель без скользящих контактов можно обслуживать гораздо реже, что экономит время и деньги на поддержание транспортной системы в порядке.

Читать далее

В реакторе Чернобыльской АЭС усилились ядерные реакции

Ученые показали, как черная дыра разрывает звезду

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Модификация генетического алгоритма для комплексной топологической оптимизации ротора синхронных двигателей | Петров

1. Мягков Л.Л., Сивачев С.М., Стрижов Е.Е., и др. Топологическая оптимизация поршня высокофорсированного дизеля // Двигателестроение. 2018. № 2. С. 3–10.

2. Lee J., Kikuchi N., «Structural topology optimization of electrical machinery to maximize stiffness with body force distribution,” IEEE Trans. Magn. 2010. V.46. no.10. pp. 3790–3794.

3. Petrov T.I., Safin A.R. «Modification of the synchronous motor model for topological optimization» .(2020) E3S Web of Conferences. 2020. 178, paper № 01016.

4. Gracheva E.I., Naumov O.V., Gorlov A.N. «Modelling Characteristics of Reliability Low-Voltage Switching Devices on the Basis of Random Checks on the Example of Contactors» (2019) Proceedings — 2019 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency, SUMMA 2019, article № 8947595, pp. 641-643.

5. Сафин А.Р., Хуснутдинов Р.Р., Копылов А.М., и др. Разработка метода топологической оптимизации электрических машин на основе генетического алгоритма // Вестник КГЭУ. 2019. № 4(40). С. 77-85.

6. Караулов В. Н., Сахаров М. В. Методика проектирования обращенного двигателя с постоянными магнитами привода лебедки // Вестник ИГЭУ. 2019. №2.

7. Хитрин А.М., Ерофеева М.М., Туктамышев В.Р., и др. Топологическая оптимизация корпусных деталей вертолетного редуктора // Bестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2018. №53.

8. Ishikawa T., Nakayama K., Kurita N., and Dawson F. P. «Optimization of rotor topology in PM synchronous motors by Genetic algorithm considering cluster of materials and cleaning procedure». IEEE Trans. on Magnetics. 2014. V. 50. no. 2. paper no. 7015704.

9. Takahashi N., Yamada T., and Miyagi D. «Examination of optimal design of IPM motor using ON/OFF method», IEEE Trans. Magn.2010. V.46, no.8. pp. 3149–3152.

10. Кишов Е.А., Комаров В.А. Топологическая оптимизация силовых конструкций методом выпуклой линеаризации // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. №1.

11. Dong L., Han X., Hua L. Effects of the rotation speed ratio of double eccentricity bushings on rocking tool path in a cold rotary forging press. Journal of Mechanical Science and Technology. 2015. Vol. 29. Iss. 4.

12. Khasanov S.R., Gracheva E.I., Toshkhodzhaeva M.I., et al. «Reliability modeling of high-voltage power lines in a sharply continental climate» E3S Web Conf. , 178 (2020) 01051.

13. Morimoto S., Kawamoto K., Sanada M., et.al. Sensorless control strategy for salient- pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame. Proc. 2001 IEEE IAS Annual Meeting. 2011. V. 4. P. 2637-2644.

14. Башин К.А., Торсунов Р.А., Семенов С.В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. №4 (51).

15. Dadabaev S.T., Islomovna T.M., Saidulloevna M.D. Modelling of starting transition processes of asynchronous motors with reduced voltage of the supply network // European Journal of Electrical Engineering. 2020. Т. 22. № 1. С. 23-28.

Новые вентиляторы и системы вентиляции для охлаждения помещений — ebmpapst

RadiPac-EC центробежные модульные вентиляторы для систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

RadiPac отвечает за…

 

Реальные технические характеристики — постоянно измеряются технические характеристики всех вентиляторов с рабочими колесами высокой производительности, GreenTech EC-мотор и электронные приборы.

Эффективное материально-техническое обеспечение — отдельный номер детали RadiPac включает все компоненты, необходимые для выполнения воздушно-технических задач — «One Stop Shopping» (покупка за один заход).

Простой ввод в эксплуатацию — все функции, необходимые для эксплуатации, уже имеются в наличии и согласованы друг с другом.

RadiPac Краткий обзор

 

 

Эффективность системы

 

«Что важно, так это результат» – одно из важных составляющих вопроса эффективности. Так как не только эффективность отдельных компонентов имеет решающее значение, но и результат их взаимодействия. Тут и выделяется RadiPac своими великолепными характеристиками. . Благодаря тому, что рабочее колесо, двигатель и электроника прекрасно скоординированы между собой, достигается общий КПД более 60%.

Огромный вклад в это вносит GreenTech EC- мотор с внешним ротором. Это постоянно активный синхронный двигатель с электронной коммутацией и питанием от сети (также называемый BLDC). КПД моторов GreenTech EC значительно выше эффективности моторов IE4. При этом он достигается без использования дорогих редкоземельных магнитов. Для других двигателей с постоянными магнитами и конструкцией внутреннего ротора при аналогичной производительности необходимы редкоземельные магниты. И это к тому же без компактных габаритов и простоты во время монтажа и ввода в эксплуатацию из-за необходимых внешних электронных приборов.

Высокопроизводительное радиальное рабочее колесо  

 

Высокий КПД

—  оптимизированный с точки зрения аэродинамики канал между лопатками

—  интегрированный циркуляционный диффузор

—  настроенная на рабочее колесо форсунка впуска

Низкий уровень шума

—  наклонная задняя кромка дает положительный аэродинамический эффект

—  интегрированный циркуляционный диффузор

—  настроенная на рабочее колесо форсунка впуска

Низкий уровень вибрации

—  Динамическая балансировка колесо-роторный блок минимизирует корпусный шум и снижает нагрузку на подшипники мотора

Прочная конструкция

—  длительный ресурс эксплуатации при непрерывных высоких скоростях

—  алюминиевое антикоррозийное покрытие

—  сваренные непрерывным швом лопатки

  Чрезвычайно компактный

—  рабочее колесо установлено непосредственно на мотор с внешним ротором

Высокий КПД

—  малые потери меди и железа

—  отсутствие потерей на скольжение благодаря синхронному ходу

—  отсутствие потерь на перемагничивание в роторе благодаря использованию постоянных магнитов

Экономное потребление электроэнергии

—  оптимизированная коммутация позволяет осуществлять режим частичной нагрузки до 1:10, при сохранении высокой эффективности

Низкий уровень шума

—  коммутация и конструкция статора обеспечивают бесшумную намагниченность поля возбуждения

—  высокие, акустически невоспринимаемые частоты

Долгий срок службы

—  необслуживаемые подшипники

—  безщеточная коммутация

Безопасная работа

—  изолированная система подшипников для предотвращения токов

Электроника с областью подключения

Самонастройка

—  плавно меняющееся число оборотов

—  управляющий сигнал 0-10В, оснащен интерфейсом MODBUS

—  интегрированный PID-регулятор

Обширная область применения

—  широкий диапазон напряжений позволяет использование по всему миру

—  подходит для сетей в 50 Гц и 60 Гц

Безопасная работа

—  интегрированная защита от перегрева мотора и электронного блока

—  Активный PFC при 1-фазных двигателеях

—  прочное кабельное соединение

Простой ввод в эксплуатацию

—  центральная клеммная коробка для сетевого подключения, сигнального реле, а также управления и связи

—  безопасное разделение между зажимами и электроникой

—  высококачественное соединение клемм

—  Не требует настройки

Диапазон производительности воздуха  

Диапазон производительности воздуха серии RadiPac

RadiPac EC -центробежные вентиляторы обладают превосходными характеристиками, начиная с высокой эффективности при достаточно простом использовании и заканчивая малыми габаритами. При этом доступна полная серия вентиляторов по диапазону  производительности воздуха.

RadiPac для компактных решений систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Высокопроизводительное рабочее колесо установлено непосредственно на мотор с внешним ротором, Это экономит место и позволяет сбалансировать общий вращающийся блок однократным повышением напряжения.

 

Чрезвычайно компактный — GreenTech EC- вентилятор …

 

… в отличие от обычных вентиляторов с двигателем переменного тока или с постоянным магнитом.

Установка — просто и безопасно

Электроника и двигателя образуют единое целое — это не только экономит пространство, но и делает установки более легкой: Таким образом встроенная электронная система управления и электронная коммутация заменяют внешний преобразователь частоты. В связи с тем, что мотор и электроника уже отлично настроены друг на друга в системе двигателя, не нужны дополнительные электронные фильтры и экранированный кабель. Кроме того, не требуется и внешний защитный автомат двигателя. Вывод: отсутствует затратная настройка при вводе в эксплуатацию систем вентиляции и кондиционирования, а также заземление и экранирование. При вводе в эксплуатацию не нужно дополнительного программирования, одним словом «Plug-and-Play».

 

Явное преимущество перед обычными вентиляторами (слева) с дополнительными устройствами: GreenTech EC- вентилятор (справа) — быстрый монтаж и все функции уже в наличие.

Компактное МФУ: RadiPac EC- радиальные вентиляторы

Какой бы тип из серии RadiPac EC- центробежных вентиляторов Вы не выбрали, все производут только хорошее впечатление — от размера 250 мм до 1250 мм, от модели с держателем «Паук» до конструкции кубической формы.

 

Механические модели серии (в зависимости от диаметра радиального рабочего колеса)

Надежность и стабильность: RadiPac в кубическом корпусе

RadiPac — вентиляторы кубической формы предназначены для установки с горизонтальным расположением вала. Конструкция позволяет с помощью резиновых или пружинных амортизаторов снизить влияние вибрации оборудования на окружающую среду и, тем самым снизить уровень шума. Кроме того конструкция является штабелированной и простой в обращении. Данная конструкция имеет также экологическое преимущество — меньше отходов при упаковке.

Ваши выгоды

—  удобство в обращении во время транспортировки и сборки

—  позволяет устранить вибрацию

—  защищает системы двигателя и радиальное колесо

—  горизонтальный и вертикальный вал двигателя

—  оптимальное позиционирование форсунки в рабочем положении

—  минимальные затраты на упаковку и её утилизацию

Бесшумная работа: RadiPac с опорной конструкцией

Опорная конструкция также предназначена для установки с горизонтальным расположением вала двигателя и позволяет отключить вентилятор от окружающей среды.

Ваши выгоды

—  позволяет устранить колебания

«Энергосбережение: способы экономии электроэнергии в быту»

Тема № 46: «Энергосбережение: способы экономии электроэнергии в быту»

Лекция 46 (Скачать…)

Презентация (Скачать…)

 

Сегодня уровень развития цивилизации позволяет нам пользоваться всеми необходимыми для жизни ресурсами прямо у себя дома. Вода, газ, электричество, тепловая энергия в виде горячей воды доставляются нам прямо в квартиру или дом. Однако мы не всегда правильно и эффективно используем эти ресурсы.

Энергосбережение — это рациональное использование энергии.

Государство для достижения целей экономии и эффективного расходования энергии и ресурсов издает специальные законы. Предприятия и организации стараются сократить потребление энергии, чтобы уменьшить затраты на производство продукции, свои издержки и повысить прибыль. Многоквартирные дома экономят энергию для того, чтобы каждый из жильцов получал минимальный счет за коммунальные услуги. В зависимости от вида энергии существуют разные методы, позволяющие использовать эту энергию более эффективно.

Самыми крупными потребителями электроэнергии в коммунально-бытовом хозяйстве являются жилые дома. В них ежегодно расходуется в среднем 400 кВт*ч на человека, из которых примерно 280 кВт*ч потребляется внутри квартиры на освещение и бытовые приборы различного назначения и 120 кВт*ч – в установках инженерного оборудования и освещения общедомовых помещений. Внутриквартирное потребление электроэнергии составляет примерно 900 кВт*ч в год в расчёте на «усреднённую» городскую квартиру с газовой плитой и 2000 кВт*ч – с электрической плитой. Поэтому именно экономия становится важнейшим источником роста производства.

Расчёты показали, а практика подтвердила, что каждая единица денежных средств, затраченных на мероприятия, связанные с экономией электроэнергии, даёт такой же эффект, как вдовое большая сумма, израсходованная на увеличение её производства.

Кроме того, в связи с периодическим ростом тарифов на электроэнергию все более актуальной становится возможность ограничить затраты на ее оплату. Это можно сделать множеством способов. Некоторые способы энергосбережения в быту, связанные с новыми технологиями, для рядового потребителя могут быть дорогостоящими. Но есть способы, не требующие больших затрат и специальных знаний. Рассмотрим их подробно.

Советы, которые позволят минимизировать затраты на оплату электроэнергии

 

1. Замените обычные лампы накаливания на энергосберегающие. Срок их службы в 5 раз больше, а потребление электроэнергии в 5 раз ниже. Конечно, энергосберегающие лампочки стоят на порядок дороже обычных ламп накаливания, но за время эксплуатации окупают себя 8-10 раз.
2. Установите приборы многотарифного учета. В ночные часы тариф на электричество в несколько раз ниже дневного. Если вы «сова» и ложитесь спать поздно, если у вас на стиральной машинке есть таймер отложенного запуска — вы можете реально экономить немалые средства. На холодильник, который работает круглые сутки, приходится четверть потребляемой бытовыми приборами энергии. Двухтарифная оплата позволит сделать его содержание менее обременительным.

3. Установите светорегуляторы (диммеры) и сами выбирайте интенсивность освещения вашей комнаты. Экономия может составить до 30% от электроэнергии, потребляемой для освещения.

4. Применяйте технику класса энергоэффективности не ниже «А», а лучше «А+» или «А++». Устаревшие бытовые устройства расходуют электроэнергии примерно на 50% больше, чем современные.

5. Проверьте целостность проводки. Очень часто в наших квартирах проводка менялась очень давно, и ее состояние оставляет желать лучшего. А между тем, плохие контакты – это не только источник опасности короткого замыкания, но и канал «утечки» электричества, которую не смогут уменьшить или предотвратить никакие современные энергосберегающие технологии.

6. Отключайте устройства, длительное время находящиеся в режиме ожидания. Телевизоры, музыкальные центры, микроволновая печь и другая техника в режиме ожидания потребляют энергию от 3 до 10 Вт. За год 4 таких прибора, а также оставленные в розетках зарядные устройства дадут дополнительный расход энергии 300-400 кВт/час.

Пример: стандартный телевизор с диагональю 21 дюйм в режиме ожидания потребляет в сутки 297 Вт/ч, а за месяц почти 9 кВт/ч.

Музыкальный центр: почти 8 кВт/ч.

ДВД-плеер: почти 4 кВт/ч.

Включенное в розетку зарядное устройство от телефона использует энергию впустую, поскольку оно все равно нагревается, даже если к нему не подключен телефон. Естественно, что потери от постоянно включенных зарядных устройств в розетку небольшие по сравнению с другой бытовой техникой. Однако они относятся к импульсным источникам питания, а такие приборы не должны работать без нагрузки. Если к ним не подключен мобильный телефон, ноутбук или плеер, то такие устройства могут перегреться, выйти из строя и привести к возгоранию.

7. Холодильник. Примерно 30-40% потребляемой в доме электрической энергии приходится на холодильник. Необходимо его регулярно размораживать. Это даст 3-5% снижения потребления электроэнергии. Желательно, чтобы холодильник был установлен в наиболее холодном месте комнаты (у наружной стены), подальше от нагревательных приборов. Не устанавливайте холодильник рядом с газовой плитой или радиатором отопления. Это увеличивает расход энергии на 20-30%. Не закрывайте радиатор холодильника, пусть между стеной помещения и задней стенкой холодильника останется зазор. Это позволит радиатору охлаждаться за счет воздушной прослойки. Проверьте чистоту и плотность прилегания уплотнителя холодильника – даже небольшая щель увеличивает расход энергии на 20-30%. Охлаждайте до комнатной температуры продукты перед их помещением в холодильник. Раскладывайте продукты в холодильнике без нагромождения, чтобы обеспечить необходимую циркуляцию воздуха в камере. Не открывайте без причины дверь холодильника и не держите ее слишком долго открытой. При хранении продуктов старайтесь устанавливать терморегулятор в минимальном или среднем положении.

8. Кондиционер. Включайте кондиционер только при закрытых дверях и окнах. Это экономит от 10% до 30% энергии.

9. Электроплита – самый расточительный из бытовых электроприборов. Она потребляет в три раза больше энергии, чем телевизор и в два раза больше энергии, чем холодильник. Выбирайте электроплиты со стеклокерамической или индукционной панелями, они позволяют свести к минимуму теплопотери при готовке и снизить энергозатраты. Правильно подобранная посуда также поможет сократить время приготовления пищи, а соответственно – и количество расходуемой энергии. Готовить пищу экономичнее на «медленном огне», а для доведения до готовности блюда лучше использовать остаточное тепло конфорки. Следите за тем, чтобы конфорки электроплиты не были деформированы и плотно прилегали к днищу нагреваемой посуды. Это исключит излишний расход тепла и электроэнергии. Не включайте плиту заранее и выключайте плиту несколько раньше, чем необходимо для полного приготовления блюда. Наверняка вам уже приходилось сталкиваться со следующим явлением. Закипел на плите чайник, конфорка отключена, но чайник продолжает неистово кипеть. Простой совет: отключение конфорки заранее, еще до закипания чайника на 2–3 минуты, сбережет вам до 20% электрической энергии. Момент отключения вы можете без труда установить по характерному шуму нагреваемой воды, который та начинает производить незадолго до закипания. Нагрев воды до кипения будет продолжаться и после отключения за счет тепловой инерции раскаленной конфорки. Не допускайте бурного кипения воды на включенной на полную мощность конфорке, ведь для кипения на разогретой плите достаточно и гораздо меньшей мощности.

Кстати, пользование электрическим чайником предпочтительнее, чем кипячение воды на плите. КПД чайника 90%, а конфорок электроплиты 50-60%. В этом случае, пользуясь чайником, можно сберечь до 40% электрической энергии. Иными словами, израсходовав одно и то же количество электроэнергии, в чайнике можно нагреть до кипения воды почти вдвое больше, чем на плите. А рекордсменом по эффективности является обычный кипятильник. При его применении практически вся потребляемая электроэнергия расходуется на нагрев воды.

После приготовления пищи одна или две конфорки, как правило, остаются горячими. Следует поставить на них холодную воду перед тем, как заливать ее в чайник или кофеварку. Этим можно сберечь от 10 до 30% электроэнергии (в зависимости от температуры отключенной конфорки) при последующем кипячении, поскольку температура воды, заливаемой в чайник, будет не 8-10°С (температура холодной воды из-под крана), а 25-40°С (после подогрева на остывающей конфорке). Кстати, для приготовления как пищи, так чая и кофе желательно пользоваться предварительно отстоявшейся водой, а не из-под крана. Во-первых, отстаиваясь, вода нагревается почти до комнатной температуры (а это примерно 10% энергосбережения при ее последующем кипячении). Во-вторых, из воды частично уходят элементы, которые используются при ее обеззараживании (например, хлор), что важно для здоровья.

Стремитесь иметь на кухне посуду с утолщенным дном, которая специально предназначена для приготовления пищи на конфорках электроплит.

Не используйте конфорки электроплит для обогрева помещений — толку от этого мало, а риск вывести из строя конфорку, работающую на холостом ходу, велик.

10. При покупке стиральной машины выбирайте объем бака, соответствующий количеству проживающих дома человек: чем их больше, тем больше объем. Стирайте при полной загрузке барабана – так электроэнергии и воды расходуется меньше. В случае неполной загрузки машина израсходует до 15 процентов энергии больше, а при неправильно выбранной программе потери составят до 30 процентов. Устанавливайте оптимальную и более короткую программу стирки, результат которой вас устраивает. Наибольшее количество энергии при машинной стирке уходит на подогрев воды. На стирку при 90° тратится в три раза больше энергии, чем на стирку при 40°. При этом известно, что порошок растворяется и активно реагирует с грязным бельем при 40°.

11. Если есть возможность, приобретите электроутюг с терморегулятором и выключателем на ручке — это, пожалуй, самые экономичные утюги, поскольку работают тогда, когда ими гладят. При эксплуатации утюга старайтесь не перекручивать электрический шнур и регулярно проверяйте его целостность. Сначала прогладьте вещи, которые необходимо обрабатывать при низких температурах, а затем повышайте нагрев утюга по мере необходимости. Не забывайте чистить рабочую поверхность электроутюга, так как это облегчает глажение и экономит электроэнергию. Не пересушивайте белье, так как при этом требуется более нагретый утюг и больше времени. Можно применить одну «хитрость», которая позволит снизить затраты – это воспользоваться алюминиевой фольгой, которую кладут под ткань гладильной доски. Фольга не позволяет рассеиваться тепловой энергии, а сосредотачивает ее в разглаживаемой ткани.

12. Применяйте местные светильники, когда нет необходимости в общем освещении. Многоламповая люстра на потолке обеспечивает освещение всего помещения, но ведет к нежелательному образованию тени при работе за письменным столом, швейной машинкой, в уголке с игрушками. Целенаправленное освещение, несмотря на меньшую мощность ламп, обеспечит лучшую освещенность без нежелательной тени. Следует чаще пользоваться настольной лампой, которая с лампочкой мощностью 30 Вт позволяет достичь лучшей освещенности на рабочем столе, чем люстра с тремя и даже пятью лампочками общей мощностью Вт. В результате двойной выигрыш: сохранение зрения и сбережение электрической энергии.

13. Сделайте возможным комбинированное включение люстры общего освещения – используйте многоклавишные выключатели, позволяющие постепенно включать от одного до нескольких рожков, а не все сразу, в зависимости от ваших потребностей.

14. «Уходя, гасите свет» — это золотое правило известно с советских времен. Учитывая тарифы на электроэнергию, сегодня это выражение более чем актуально. Выключайте свет, не только покидая квартиру, но и уходя из комнаты более чем на 10 минут. Подумайте, нужны ли вам включенные в каждой комнате телевизоры? Часто бывает так, что телевизор работает на кухне, в спальне и в гостиной, а зритель в квартире всего один.

15. Оборудуйте места низкой проходимости в вашем доме (лестничные пролеты, тамбуры, подъезды) приборами автоматического управления освещением. Выключатели с датчиком движения, реле времени, датчики присутствия позволяют сократить почти в 2 раза потребление электроэнергии в местах общего пользования.

16. Настройте домашний компьютер на экономичный режим работы (отрегулируйте яркость монитора, задайте параметры перехода в спящий режим, отключения жестких дисков).

17. Максимально используйте естественное освещение – это один из путей уменьшения расхода электроэнергии на искусственное освещение. Имейте это в виду и следите за чистотой оконных стекол в квартире. Умело сочетайте в доме все три вида искусственного освещения: общее, местное и комбинированное. Приучите себя регулярно, примерно 1 раз в месяц, вытирать пыль со светильников, что обеспечит и чистоту, и улучшение освещенности в доме.

18. Не применяйте электроотопительные агрегаты в доме, если в том нет острой необходимости. Лучше проведите целенаправленную работу по утеплению окон и дверей.

19. Ежемесячно в один и тот же день месяца снимайте показания электросчетчика, сравнивайте потребление электроэнергии в настоящем месяце с предыдущим, анализируйте, отчего произошла экономия (или перерасход) электроэнергии, и делайте соответствующие выводы.

20. Не пытайтесь заниматься хищением электроэнергии. Во-первых, это опасно, а во-вторых, знайте, что не существует такого способа воровства электроэнергии, который бы не раскрыл опытный эксперт-электротехник. Имейте в виду, что с помощью лабораторных исследований легко определить, было ли совершено вмешательство в работу электросчетчика.

В целом, вполне реально сократить потребление электроэнергии на 40-50% без снижения качества жизни и ущерба для привычек.

Справочная информация о системе обслуживания потребителей электроэнергии филиала МРСК Северного Кавказа – «Ставропольэнерго»:

 

ОЧНАЯ ФОРМА ОБСЛУЖИВАНИЯ	ЗАОЧНАЯ ФОРМА ОБСЛУЖИВАНИЯ
Офисы обслуживания:	Телефон:
— Центры обслуживания клиентов	— Контакт-центр: 8-800-775-91-12 (звонок бесплатный)
— Пункты по работе с клиентами (на базе районных электрических сетей)
	Интернет:
	— Портал по работе с клиентами Россети — Личный кабинет на сайте МРСК Северного Кавказа — Интернет-приемная на сайте МРСК Северного Кавказа

Сервомоторы серии RS Parker Hannifin в ответственных применениях

Работа бесщеточного сервомотора основана на принципе теории магнетизма: одноименные полюса взаимно отталкиваются, разноименные притягиваются. В серводвигателе имеются два магнитных источника. Это — постоянные магниты, расположенные на роторе мотора, и стационарные магниты, которые расположены вокруг ротора. Электромагнитом служит статор из пластин электротехнической стали, связанных между собой, и на которых установлена медная обмотка.

В соответствии с принципами магнетизма при пропускании тока через медный проводник образуется магнитное поле с северным и южным полюсом. Каким образом создать состояние, чтобы разноименные полюса притягивались, а одноименные взаимно отталкивались?

 

 Рисунок 1.

Ключом к решению является используемое преимущество магнитных полей, создаваемое токопроводящими катушками, которое заключается в возможности менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую. Рисунок 1 демонстрирует базовое условие.

 

Полюса магнитов ротора притягиваются к противоположным полюсам статора. Полюса ротора, установленные на валу двигателя, будут вращаться до тех пор, пока не выровняются по положению с противоположными полюсами статора. Если состояние не меняется, ротор будет оставаться в стационарном положении.

На Рисунке 2 (слева) показано чередование полюсов статора. Такое действие происходит каждый раз когда полюс ротора притягивается отрицательным полюсом статора в результате изменения направления протекания тока через определенный участок статора. Постоянное чередование полюсов статора создает условие, при котором постоянные магнитные полюса ротора «преследуют» противоположные полюса статора, в результате чего происходит непрерывное вращение вала ротора / двигателя.

Чередование полюсов статора известно как коммутация. Возникает вопрос: каким образом направлять ток в определенное время для поддержания вращения вала? Переключение тока выполняется инвертором или приводом, который подает питание на двигатель.

При использовании привода с определенным двигателем, угол поворота конфигурируется программно в приводе, наряду с другими параметрами, такими как индуктивность, сопротивление и др. Устройство обратной связи двигателя (энкодер, резольвер) обеспечивает информацию о положении вала ротора / магнитного полюса относительно привода.

При достижении магнитным полюсом ротора положения, которое соответствует углу поворота, привод реверсирует ток, проходящий через обмотку статора, тем самым изменяя полюс статора с северного на южный и с южного на северный (см. Рисунок 2). Из этого следует, что если полюса совмещаются, вращение вала двигателя останавливается; или изменение последовательности приводит к вращению вала в одном или другом направлении; а быстрое изменение обеспечивает высокую скорость вращения и, наоборот, медленное изменение ведет к медленному вращению вала.

 

По материалам статьи Джеффа Наззаро (Jeff Nazzaro), Руководителя продуктовой линии Подразделения электромеханики и приводов.

Новое открытие может привести к коммерческому производству двигателей с постоянными магнитами

Ряд читателей усомнились в правдивости технологии, представленной в этой статье. Чтобы решить их проблемы, мы провели дополнительную информацию, которую можно найти здесь.

Постоянные магниты являются неотъемлемой частью многих двигателей, в которых используются преимущества достижений в получении мощных и стабильных магнитных материалов.

Сегодня редкоземельные магниты, содержащие элементы лантаноидов, такие как неодим и самарий, обладают большим магнитным моментом.Например, неодимовый (NdFeB) магнит, состоящий из неодима, железа и бора и имеющий размеры всего 10,16 см X 10,16 см X 5,08 см, может иметь Brmax 14,800, поверхностное поле Gauss в 4,933, тяговое усилие 557 кг и стабильно при 176ºF. Если магнит не будет перегрет или физически поврежден, он потеряет менее 1% своей силы за 10 лет.

Чтобы увидеть влияние постоянных магнитов, мы должны взглянуть на типичный электродвигатель. Когда внешний источник энергии проходит через поле ротора, он служит электромагнитом, который притягивается к постоянному магниту, заставляя двигатель вращаться (рис. 1А). Для продолжения вращения электромагнит позволяет полю ротора изменять полярность его магнитного поля (рис. 1B), вызывая отталкивание. Сила отталкивания между полюсами отталкивает электромагнит по его пути движения. Если полярность ротора не меняется, сила притяжения, притягивающая электромагнит к постоянному магниту, будет препятствовать выходу электромагнита и заставит его вернуться и остановиться напротив постоянного магнита.

Электродвигатель, в котором используются постоянные магниты, не имеет обмоток возбуждения, которые служат электромагнитами на раме статора.Вместо этого постоянные магниты на раме статора создают магнитные поля, которые взаимодействуют с полем ротора, создавая крутящий момент. Это устраняет необходимость в питании статора, тем самым снижая потребление электроэнергии.

Электродвигатели, с использованием постоянных магнитов или без них, производят вращение из повторяющейся последовательности притяжения с последующим отталкиванием, что требует изменения полярности. Было предпринято множество попыток сконструировать двигатель, использующий только постоянные магниты для создания магнитных полей как для статора, так и для ротора, но они не увенчались успехом.

Такой двигатель будет приводиться в действие только собственными магнитными полями, создаваемыми постоянными магнитами. Представленное здесь открытие позволяет постоянным магнитам последовательно притягиваться и отталкиваться, создавая непрерывное движение, как у электродвигателя, без изменения полярности или использования внешнего источника энергии.

Большинство из нас имели дело с постоянными магнитами и испытывали силы притяжения и отталкивания, возникающие между ними. Легко представить, что магниты работают на нас.Например, сила притяжения между двумя достаточно сильными постоянными магнитами может перемещать объект, когда магниты сближаются. Однако, чтобы магниты повторили эту работу, их нужно разобрать.

Количество работы или механической энергии, необходимой для разрыва магнитов, аналогично количеству механической энергии, генерируемой магнитами, когда они сближаются. Соответственно, постоянные магниты не могут работать непрерывно самостоятельно без внешнего источника механической энергии, многократно разъединяющего их.

На рис. 2 показаны типичные силовые линии между противоположными полюсами двух постоянных магнитов, которые создают обычно наблюдаемую силу притяжения, действующую в полярной (вертикальной) плоскости. Сила притяжения, создаваемая достаточно сильными магнитами, может стягивать магниты на расстоянии, пока они не придут в контакт друг с другом. Сила притяжения между противоположными полюсами также может стягивать магниты вместе вдоль экваториальной (горизонтальной) плоскости, пока они не остановятся напротив друг друга.На рис. 3 показаны силовые линии, ответственные за это горизонтальное притяжение.

Обычно силы притяжения и отталкивания существуют между двумя магнитами с противоположными полюсами, как показано на рис. 4. Однако сила отталкивания в полярной плоскости обычно очень мала по сравнению с силой притяжения в той же плоскости, вызывая результирующую сила быть притяжением. Мы создали уникальное состояние, в котором поля двух постоянных магнитов с противоположными полюсами одновременно создают результирующую силу притяжения между ними в экваториальной плоскости и результирующую силу отталкивания в полярной плоскости.

На рис. 5 показаны силовые линии, ответственные за одновременное экваториальное притяжение (синие стрелки) и полярное отталкивающее (красные стрелки) силы, возникающие между парой постоянных магнитов. Необычное результирующее отталкивание в полярной плоскости является результатом формы магнитов и их положения и возникает между одинаковыми полюсами, даже если магниты имеют свои противоположные полюса, обращенные друг к другу.

Результирующая сила притяжения, действующая в экваториальной плоскости, может использоваться для стягивания магнитов вместе по горизонтали.Результирующая сила отталкивания, действующая в полярной плоскости, может, в свою очередь, использоваться, чтобы раздвигать магниты по вертикали без изменения полярности или использования другой энергии. Таким образом, два постоянных магнита притягиваются друг к другу под действием силы притяжения, а затем раздвигаются без помощи внешней силы или другой энергии.

Обычно необходимо приложить внешнюю силу, чтобы разделить два постоянных магнита, которые стянулись вместе с их силой притяжения.До сих пор мы не наблюдали, чтобы два постоянных магнита последовательно притягивались и отталкивались без посторонней помощи. Эта последовательность притяжения с последующим отталкиванием подобна последовательности притяжения-отталкивания, которая возникает в электродвигателе между постоянным магнитом и электромагнитом.

Демо-версия Attract-Repel

Мы сконструировали прибор, чтобы продемонстрировать одновременное результирующее притяжение в экваториальной плоскости и результирующее отталкивание в полярной плоскости между двумя постоянными магнитами с противоположными полюсами, обращенными друг к другу.Для уменьшения трения при движении постоянные магниты были прикреплены к тележкам с восемью колесами. На каждой тележке размещено по четыре постоянных магнита.

Магниты были изготовлены из неодима (NdFeB) марки 52 и имели длину 5,08 см, ширину 2,54 см и толщину 1,27 см. Они были намагничены на всю толщину 1,27 см. Каждый магнит имеет Brmax 14 800 Гаусс и тяговое усилие 41,28 кг. Чтобы минимизировать магнитные помехи, тележки и рельсы были изготовлены из алюминиевого сплава, а винты и гайки — из латуни.

Результирующие силы притяжения и отталкивания были измерены с помощью цифрового датчика силы IMADA модели DS2-110. Результирующие силы, приложенные к тележкам, измерялись с интервалом 3,18 мм по горизонтальной и вертикальной траекториям движения. Были проведены измерения результирующей силы притяжения в экваториальной плоскости, ответственной за горизонтальное движение, как показано на рис. 6. Были также проведены измерения результирующей силы отталкивания в полярной плоскости, ответственной за вертикальное движение (рис.7).

Суммарные значения силы притяжения в экваториальной плоскости и силы отталкивания в полярной плоскости представлены на рис. 8. Избыток механической энергии доступен из общей силы (механической энергии), доступной во время фаз притяжения и отталкивания. Этот излишек энергии можно использовать для работы, например, для привода электрогенератора. Приведенные здесь данные предназначены только для иллюстрации явления и не представляют оптимальных условий для максимального выхода энергии.

Соображения по конструкции двигателя

Повторение описанной здесь последовательности притяжения и отталкивания требует, чтобы магниты вернулись в свои исходные положения. Однако короткое расстояние, пройденное описанными здесь магнитами, оставляет их в пределах полей притяжения и отталкивания, ответственных за их первоначальное движение. Следовательно, возвращению магнитов в их исходное положение будут препятствовать эти остаточные силы притяжения и отталкивания, соответственно.

Значительное количество механической энергии должно быть потрачено на преодоление этих сил при возврате магнитов. Эти противоположные остаточные силы и затраты энергии на их преодоление могут быть значительно уменьшены за счет увеличения расстояния, пройденного магнитами H и V. Например (рис. 9), если магнит V перемещается по вертикали на 15,24 см вместо 6,35 см, После этого магнит H мог бы вернуться в горизонтальное положение в исходное положение, не встречая значительного сопротивления со стороны силы притяжения в полярной плоскости.

При увеличенных расстояниях перемещения результирующая сила притяжения в экваториальной плоскости изначально будет слишком слабой, чтобы тянуть магнит H горизонтально. На рис. 9 показано, как пары магнитов могут быть связаны друг с другом для буксировки друг друга на участке их пути. Сила отталкивания между магнитами V1 и h2 достаточно велика, чтобы магнит V1 тянул магнит h3 ближе к магниту V2, где силы притяжения сильнее. В свою очередь, сила притяжения между магнитами V2 и h3 может тянуть магнит V1 дальше от магнита h2.Движение, создаваемое двумя парами магнитов, соединенных вместе, показано на рис. 9.

Это соединение пар магнитов в различных фазах последовательности притяжения и отталкивания похоже на расположение поршней в двигателе внутреннего сгорания, в котором такт сгорания одного поршня приводит в действие такт выпуска другого поршня. Другое сходство заключается в том, что и магниты, и поршни движутся по линейным путям, поскольку они обеспечивают механическую энергию.

Механическую энергию можно сохранить, заставив магниты работать на обоих концах своего пути.Таким образом, энергия не тратится на возвращение магнитов в исходное положение для повторения цикла. Подключение четырех пар магнитов завершает цикл, обеспечивая непрерывное движение, полностью управляемое постоянными магнитами.

Здесь отмечается, что статор и ротор в обычном электродвигателе требуют нескольких пар магнитов для достижения непрерывного движения. Последовательность притяжения и отталкивания между одним магнитом статора и электромагнитом (ротором) не может создать достаточную инерцию, чтобы повернуть ротор на один полный оборот и повторить цикл.Аналогичным образом, описанный здесь метод требует использования нескольких пар постоянных магнитов для увеличения расстояния перемещения и завершения цикла.

Коммерческое приложение

Метод, описанный здесь, иллюстрирует, как одни только постоянные магниты могут быть использованы для создания непрерывного движения и обеспечения излишка механической энергии, которая может использоваться для других целей, таких как приведение в действие электрического генератора.

По многим причинам электромагнитная энергия постоянных магнитов является очень практичным, чистым и богатым источником энергии.Было подсчитано, что электромагнитная сила на 39 порядков сильнее гравитационной силы, и ее внутренний источник многочислен. Количество энергии, необходимое для создания постоянных магнитов, незначительно по сравнению с количеством электромагнитной энергии, фактически доступной от них после их намагничивания. Железо, наиболее распространенное ферромагнитное вещество, является вторым по распространенности металлом на Земле.

Мощные магниты, содержащие неодим и самарий, не требуются для выработки практического количества чистой механической энергии с использованием описанного здесь метода.Могут использоваться другие более слабые постоянные магниты. Стабильность (коэрцитивная сила) и сила (магнитный момент) постоянных магнитов сегодня чрезвычайно высоки. Величина электромагнитных сил, возникающих между парами магнитов для генерации механической энергии, как описано здесь, ниже значения коэрцитивной силы магнитов. Следовательно, магниты останутся стабильными при нормальных условиях эксплуатации.

Будущее

Создан двигатель с постоянными магнитами, который проходит испытания.Кроме того, на двигатель подана заявка на патент, и его детали не будут доступны до тех пор, пока патент не будет выдан.

Одна особенность, которую еще предстоит определить, — это лучший способ включения и выключения двигателя. С обычным электродвигателем вы просто используете переключатель для включения питания, чтобы активировать двигатель, а затем выключите питание, чтобы остановить двигатель. Вы не можете этого сделать с двигателем, состоящим из постоянных магнитов. Рассматриваются несколько методов прерывания. Один из подходов — использовать электромагнит для торможения.Электромагнит будет запитан только во время торможения и отключен, когда двигатель работает.

Список литературы

1. Уленбек Г. Э., Гоудсмит С. Спиновые электроны и структура спектров. Природа. 117, 264-265 (1926).

2. Фоли Х., Куш П. О собственном моменте электрона. Physical Review 73, 412-412 (1948).

3. Фейнман Р. Электромагнетизм. Лекции Фейнмана по физике. 2, Глава 1 (1962).

4.М. Е. Пескин, Д. В. Шредер, Введение в квантовую теорию поля (Westview Press, Нью-Йорк, 1995).

5. Р. Пенроуз, Новый разум императора: о компьютерах, разуме и законах физики (Oxford University Press, Oxford, 1989).

6. У. Л. Эрик, Магнетизм: вводный обзор (Courier Dover Publications, Нью-Йорк, 1963).

В дешевом, высокоэффективном новом электромоторе Mahle не используются магниты.

Магниты, в которых обычно используются редкоземельные металлы, такие как неодим, лежат в основе большинства двигателей электромобилей.Приятно иметь постоянный источник мощного редкоземельного магнетизма в вашем роторе, потому что использование катушек с питанием вместо этого означает, что вам нужно каким-то образом передавать электричество от батареи через катушки во вращающемся роторе. Это означает, что вам понадобится скользящая точка контакта, а скользящие точки контакта со временем изнашиваются.

Постоянные магниты, тем не менее, приходят с собственным багажом. Девяносто семь процентов мировых поставок редкоземельных металлов поступает из Китая, и в прошлом государственный контроль над таким важным ресурсом в ряде высокотехнологичных отраслей был серьезной проблемой.Официальные отчеты расходятся относительно того, почему Китай решил ограничить экспорт редкоземельных элементов еще в начале десятилетия, как это обычно делается в официальных отчетах, но результатом в любом случае был скачок цен на неодим на 750 процентов и скачок цен на диспрозий на 2000 процентов. .

Могут ли эти металлы производиться где-либо еще? да. Они не так редки, как следует из названия. Но где бы они ни добывались, единственный способ экономически превратить их в магниты — это отправить их в Китай для обработки — нигде больше в мире не создано для этой задачи, и никто не может конкурировать с минимальными затратами на рабочую силу и экологическими нормами Китая.

Так что это тяжелая бита, которую Китай может принять в торговых переговорах, и настоящая проблема безопасности линий поставок для других стран. Некоторые компании, в том числе BMW, Audi, Renault и другие, уже производят по крайней мере некоторые из своих электродвигателей без магнитов; все остальные следят за новыми технологиями в этой области.

И это тот контекст, в котором немецкая компания Mahle только что анонсировала новый электродвигатель, который, похоже, решает множество проблем очень аккуратно.

Вместо магнитов в роторе используются намотанные катушки

Mahle

В новой конструкции Mahle не используются магниты, а в роторе используются катушки с питанием. В отличие от предыдущих попыток, он передает мощность на прядильный ротор с помощью бесконтактной индукции, поэтому практически отсутствуют изнашиваемые поверхности. Это должно сделать его чрезвычайно прочным — не то чтобы электродвигатели имели репутацию требующих особого обслуживания.

Отсутствие дорогих металлов должно сделать их более дешевыми в производстве, чем типичные двигатели с постоянными магнитами.Mahle говорит, что возможность настраивать и изменять параметры магнетизма ротора вместо того, чтобы зацикливаться на том, что предлагает постоянный магнит, позволила его инженерам достичь эффективности выше 95 процентов прямо во всем диапазоне рабочих скоростей — «уровень, который был достигнут только гоночными автомобилями Формулы Е. »

Он также особенно эффективен на высоких скоростях, поэтому может помочь выжать несколько лишних миль из аккумулятора при нормальном использовании. Компания заявляет, что она будет хорошо масштабироваться от размеров, подходящих для компактных автомобилей до коммерческих автомобилей.

Беспроводной передатчик передает мощность на ротор, используя переменное поле, которое преобразуется в постоянный ток для катушек магнита

Mahle

«Наш безмагнитный двигатель, безусловно, можно назвать прорывом, потому что он обеспечивает несколько преимуществ, которые еще не были объединены в продукте такого типа», — говорит д-р Мартин Бергер, вице-президент Mahle по корпоративным исследованиям и передовым разработкам. «В результате мы можем предложить нашим клиентам продукт с выдающейся эффективностью по сравнительно низкой цене.«

До массового производства осталось около двух с половиной лет, согласно IEEE Spectrum, и Mahle еще не назвала производителей автомобилей, с которыми имеет дело, но тестовые образцы уже начинают циркулировать.

Источник: Mahle через IEEE Spectrum

Двигатели без редких магнитов: какие есть варианты? (Часть первая)

Существуют более дешевые моторные технологии, которые могут быть привлекательной альтернативой двигателям с постоянными магнитами BL на основе нео — и не подвержены непредсказуемым цепочкам поставок

Почти не проходит дня без крупной новостной статьи, в которой обсуждается весьма реальная возможность того, что Китай может использовать свои запасы редкоземельных элементов в качестве оружия в продолжающейся торговой войне.

Неодим и родственные ему редкоземельные материалы являются ключевыми элементами при производстве мощных магнитов, которые используются во многих продуктах — от бытовой электроники, медицинского оборудования и автомобильных компонентов до военного оружия. Таким образом, любой перерыв в поставках редкоземельных товаров окажет серьезное влияние на нашу жизнь.

Во-первых, что такое редкоземельные материалы и почему мы не можем добывать их в США? Редкоземельные материалы, которые мы в основном рассматриваем в этой статье, — это элементы неодима, диспрозия и празеодима.Как уже упоминалось, это ключевые компоненты при производстве мощных магнитов, которые, в свою очередь, используются во многих продуктах. Фактическое сырье доступно в нескольких странах, например, в России, Китае, Таиланде и США

.

На самом деле, в США есть большие запасы этих материалов, которые можно легко добыть. Однако добыча редкоземельных материалов — это «грязный» процесс, зачастую не экологически чистый. Это, в сочетании с высокой стоимостью соблюдения экологических норм, сделало внутреннее производство этих минералов экономически невыгодным.

Также необходимо понимать, что даже если мы ослабим эти правила и поднимем цены на редкоземельные материалы, потребуется 5-10 лет, чтобы начать рентабельную коммерческую добычу и производство местных запасов редкоземельных элементов. А пока мы вынуждены полагаться на иностранные поставки или искать альтернативные технологии, не требующие редкоземельных магнитов.

В этой статье мы остановимся на типе электродвигателей, который является одним из основных потребителей редкоземельных магнитов. Неодимовые магниты содержат несколько редкоземельных материалов в различных соотношениях, которые будут влиять на характеристики этих магнитов, такие как энергетический продукт, температурная стабильность и т. Д.

Чертеж 4-фазного двигателя (все фотографии любезно предоставлены Джорджем Холлингом).

Давайте сначала кратко рассмотрим различные применимые типы электродвигателей: индукционный переменный ток (AC), синхронный переменный ток, щеточный постоянный ток, бесщеточный постоянный / переменный ток (BL DC, BL AC), внутренний постоянный магнит (IPM), переменное переключаемое сопротивление, или просто переключаемый реактивный двигатель (VSR) и синхронный реактивный двигатель (SYR). Конечно, существует множество вариантов и семантических вариаций, например — IPM также называют реактивным электродвигателем с постоянными магнитами (PM).

ACI — это широко используемый двигатель, частично из-за его простоты, а частично из-за того, что он может работать непосредственно от линии электропередачи, не требуя какой-либо управляющей электроники, очень недорогое решение с умеренным КПД (80% для однофазного двигателя и низкие 90% для трехфазного двигателя).

Импульсный реактивный двигатель.

Почти каждый знаком с асинхронным двигателем переменного тока; он широко используется в качестве односкоростного двигателя, а также в качестве тягового двигателя в электромобилях.ACI требует как минимум двух фаз для развития пускового момента. Трехфазные двигатели запускаются от сети, но могут иметь большой пусковой ток, поэтому часто добавляются схемы запуска. Однофазный ACI на самом деле представляет собой 2-фазный двигатель с первичной обмоткой и вспомогательной обмоткой, обе из которых питаются от основной линии, но во вспомогательную обмотку добавлен конденсатор, чтобы произвести фазовый сдвиг, который, таким образом, позволяет двигателю начать. После запуска двигателя основная фаза будет поддерживать его работу, а вспомогательная обмотка часто отключается с помощью центробежного переключателя.Основным недостатком ACI является то, что он будет работать только на одной скорости — если не добавлены контроллеры.

Щеточный двигатель постоянного тока — это недорогой двигатель, который мы все помним с детства, поскольку его можно найти во многих игрушках. Обычно для создания магнитного поля используется постоянный магнит или обмотка возбуждения, а ротор имеет несколько полюсов, которые подключены к источнику питания через коммутатор. Когда двигатель вращается, коммутатор всегда подает питание на правильные обмотки для создания крутящего момента.Если используется обмотка возбуждения, она может быть подключена последовательно (последовательный двигатель) или параллельно (параллельный двигатель) ротору. Щеточные электродвигатели постоянного тока все еще широко используются, например, в тележках для гольфа, а также в автомобилестроении и промышленности, где регулирование скорости может быть осуществлено с минимальными затратами. Но коммутатор подвержен механическому износу, а щеточные двигатели не допускают высоких мгновенных перегрузок по крутящему моменту, так как они могут повредить коммутатор. Ротор также имеет высокую инерцию и низкий общий КПД (низкий 60% — низкий 80%), что делает щеточный двигатель постоянного тока менее чем подходящим в качестве промышленного серводвигателя.

Бесщеточный двигатель с постоянными магнитами заменил многие двигатели ACI и щеточные двигатели, и он становится предпочтительным двигателем для многих важных приложений, таких как тяговые двигатели в электромобилях, промышленная автоматизация, робототехника и военные системы. Магнит — как правило, высокоэнергетический магнит — помещается на ротор, а статор аналогичен статору ACI, за исключением того, что контроллер используется для определения положения ротора и затем для подачи питания на обмотки статора соответственно — либо с помощью синусоиды. волна (BL AC) или фиксированный ток / напряжение (BL DC).Следует отметить, что будет некоторый метод обратной связи для определения положения ротора с последующим включением обмоток соответствующим образом; следовательно, это двигатель с электронной коммутацией (ЕСМ). Также можно просто приложить вращающееся поле к статору, а затем позволить ротору следовать за этим полем, что называется синхронным двигателем переменного тока. Синхронный двигатель менее эффективен и должен иметь — часто значительно — больший крутящий момент, чем требуется приложению, чтобы предотвратить его рассинхронизацию.Двигатель переменного тока BL часто называют синхронным двигателем, но это неверно; Двигатель переменного тока BL представляет собой ECM, а не синхронный двигатель. Хотя двигатель PMBL предлагает высокий КПД (94% -98%), небольшой объем и легкий вес, он, тем не менее, требует контроллера и часто устройства обратной связи, что увеличивает стоимость и сложность приводной системы PMBL.

Ключевой элемент реактивного реактивного двигателя с переключаемым элементом.

Импульсный реактивный электродвигатель (SR) или, точнее, регулируемый реактивный электродвигатель (VSR), также является бесщеточным электродвигателем, не требующим внутренних магнитов.VSR имеет статор, в котором каждая катушка центрирована вокруг одного зуба, и статор с простой структурой зубцов. Когда обмотка находится под напряжением, ротор выравнивается с возбуждающими зубьями, и по мере приближения к этому равновесию катушки переключаются, и ротор будет притягиваться к соседним зубьям. VSR предлагает высокую удельную мощность и хороший КПД (94% — 96%). Но у VSR есть некоторые недостатки; Чаще всего отмечается его акустическая характеристика шума или слышимый шум, который может быть выше, чем у других типов двигателей.VSR также требует специализированного контроллера, в котором каждая фаза двигателя соединена с двумя выводами, а не с одним выводом фазы, который обычно используется в других двигателях. Кроме того, VSR имеет меньший воздушный зазор и требует более жестких механических допусков, чем другие типы двигателей, что также может увеличить производственные затраты.

SYR — это новая технология, о которой известно уже более 20 лет, но только недавно она привлекла внимание. Статор SYR похож на двигатель переменного тока ACI или PM, но ротор представляет собой просто сплошной ротор со штампованными пазами, которые создают барьер потока и направляют поток через ротор.Другая конструкция использует ламинированный материал в направлении x-y, но это непрактично для реализации, хотя некоторые исследователи показали, что это работает.

SYR требует контроллера — точно так же, как двигатель PM BL. Фактически, с небольшими изменениями программного обеспечения он может использовать тот же контроллер, что и двигатель BL PM. Во всех других отношениях он также очень похож на двигатель BL PM, то есть акустический шум, и во многих исследованиях было показано, что он предлагает более низкую стоимость производства, чем двигатель BL PM.Для небольших потребностей (<1 л.с.) SYR может предложить немного более низкий КПД (верхний предел 80% - 95%) по сравнению с двигателем с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов BL, и для него требуются немного лучшие механические допуски, но он будет лучше, чем ACI. . У нас пока нет достаточных данных для сравнения максимальной эффективности работы более крупных двигателей SYR, но мы ожидаем, что они приблизятся к показателям машин BL PM. SYR также работает с очень высоким КПД - на скорости 50 KRPM и выше - где он может фактически превзойти двигатель BL PM аналогичного размера.

Электродвигатель IPM мощностью 65 кВт.

Последний тип двигателя, который мы здесь обсудим, — это двигатель с внутренними постоянными магнитами. IPM имеет статор, аналогичный двигателям переменного тока ACI и BL, и магниты, встроенные в пазы ротора. IPM представляет собой гибрид между двигателем BL PM (PM) и SYR (пазы ротора, барьер потока) и поэтому требует контроллера, соответствующего управляющего программного обеспечения и несколько более жестких производственных допусков. Тем не менее, IPM, вероятно, является наиболее эффективным двигателем с самой высокой удельной мощностью, доступным нам на сегодняшний день.Хотя мы обсудим это более подробно в Части II этой статьи, следует отметить, что мощный и эффективный IPM может быть сконструирован — даже если в его конструкции используются менее мощные магниты, например. г. — магниты из феррита или самариевого кобола, поставка которых не монополизирована Китаем. Использование альтернативных магнитов в конструкции также позволяет создавать двигатели с очень высокими рабочими температурами, в отличие от двигателей, в которых используются неомагниты, ограничивающие максимальную рабочую температуру.

Теперь, когда мы рассмотрели доступные моторные технологии, мы сравним эти моторы более подробно в Части II этой статьи и подчеркнем, как альтернативные моторные технологии могут быть привлекательной альтернативой двигателям BL PM на основе нео, которые не подлежат непредсказуемой поставке. цепи.

Также во второй части мы сосредоточимся на двигателе SYR и IPM с магнитами, которые не содержат редкоземельных материалов и могут быть произведены в США.

Индукция против. КПД двигателя с постоянным магнитом

Поскольку электрификация автомобилей продолжается ускоренными темпами, многие задаются вопросом, какой тип двигателя лучше всего подходит для современной электрической трансмиссии.

Может быть трехфазный асинхронный двигатель или двигатель с постоянными магнитами? Оба мотора в настоящее время используются в электромобилях.Оба предлагают высокую эффективность и хорошую производительность. Но что лучше?

Существует веский аргумент в пользу того, что двигатель с постоянными магнитами превосходит асинхронный двигатель. Неотъемлемые преимущества порошковой металлургии — возможность повышения производительности двигателя и снижения общей стоимости — могут быть эффективным инструментом при производстве этих приводных систем.

Давайте проведем несколько сравнений эффективности асинхронных двигателей с двигателями с постоянными магнитами, чтобы увидеть их преимущества и потенциальные недостатки.Мелкие детали конструкции электродвигателя более сложны, чем описано ниже, но это отличное начало для тех, кто взвешивает свои варианты.

КПД двигателя с постоянным магнитом

Как следует из названия, электромотор с постоянными магнитами использует постоянные магниты на роторе (см. Рисунок ниже). Переменный ток, приложенный к статору, приводит к вращению ротора. Поскольку магниты постоянно намагничены, ротор может работать синхронно с коммутируемым переменным током.Устранено проскальзывание, необходимое в асинхронных двигателях, повышает тепловую эффективность.

Собственный КПД двигателя с постоянными магнитами выше, чем у асинхронного двигателя. Оба двигателя имеют трехфазную конструкцию благодаря полностью оптимизированной производительности. Однако асинхронные двигатели были разработаны для работы в основном на частоте 60 Гц. При увеличении частоты потери на вихревые токи в асинхронных двигателях будут намного больше, чем в двигателях с постоянными магнитами, использующих технологию порошкового металла.

Независимо от того, как вы изгибаете или формируете асинхронный двигатель, хорошо спроектированный синхронный двигатель с постоянными магнитами обеспечит увеличенный диапазон, лучшую производительность и т. Д.

Использование материалов двигателя с постоянным магнитом

В постоянном магните ротор теперь может быть сплошной деталью, например, из магнитного материала порошковой металлургии, полученного методом прессования и спекания. Вы можете сконструировать ротор таким образом, чтобы магниты были приклеены к внешнему диаметру или заключены в ротор, как показано ниже:

( Сравнение асинхронного двигателя переменного тока идвигатель с постоянными магнитами)

Необязательно делать из листовой электротехнической стали! Ротор из порошкового металла может иметь прорези, которые вы видите на изображении выше, спроектированные за счет чистой формы порошкового металла, что устраняет необходимость в дорогостоящей механической обработке. Используя спеченный магнитомягкий материал, силовой металлический ротор для двигателя с постоянными магнитами может достигать прочности, аналогичной конкурирующим процессам.

Однако индукционный ротор по-прежнему требует штамповки и ламинирования.В процессе штамповки образуется гораздо больше отходов, чем при порошковой металлургии.

Применение постоянных магнитов в двигателях

Постоянный двигатель мощностью 50 кВт (около 70 л.с.) обычно весит менее 30 фунтов. (Обратите внимание, что вам все равно понадобится преобразователь постоянного тока в переменный, чтобы генерировать достаточное напряжение и частоту.)

Использование двигателей с постоянными магнитами в автомобильной промышленности включает Chevy Volt (производство прекращено), Chevy Bolt и Tesla Model 3.

• Chevy Bolt — это конструкция мощностью 200 л.с. с магнитами внутри ротора.В нем используется односкоростной редуктор с соотношением 7,05: 1 для привода колес. Общедоступных оценок веса нет.
• Tesla Model 3 также использует двигатель с постоянными магнитами. Доступно очень мало деталей, но ходят слухи, что магниты расположены в виде массива Halback. Этот массив фокусирует магнитные линии потока для полной оптимизации производительности.

Скорость двигателя с постоянными магнитами такая же, как и у его индукционного аналога:

• Ns = 120 * частота / количество полюсов

(Ns — синхронная скорость.Число полюсов — это общее число полюсов на фазу, включая северный и южный полюса.)

Помните, что ротор не будет скользить относительно рабочей частоты статора.

Стоимость против. Производительность

Одно из основных соображений при использовании двигателей с постоянными магнитами — это стоимость магнитов. Если вы использовали высокоэнергетические магниты (такие как железо, неодим, бор), вы почувствовали боль в своем бюджете (или у вашего начальника). Потенциальные потери при штамповке ламинирующего материала только усугубляют проблему.

Возможности для порошковой металлургии в этих типах двигателей изобилуют. Роторы двигателя с постоянными магнитами могут быть изготовлены из спеченного порошкового металла, независимо от того, выбираете ли вы внутреннюю или внешнюю конструкцию. Статор также может быть изготовлен из магнитомягких композитов. При ожидаемых высоких частотах переключения потери в SMC ниже, чем в ламинированном 3% кремниевом железе, еще больше повышает эффективность этой конструкции. Проще говоря, магнитомягкие композиты созданы специально для высоких частот.

Металлический порошок может повысить эффективность двигателя с постоянными магнитами по сравнению с асинхронным двигателем. Возможности порошковой металлургии создавать трехмерные формы позволяют формировать статор, полностью покрывающий весь провод магнитомягким композитом, чтобы исключить потери на конце витка. .

Это некоторые из многих преимуществ, которые предлагает металлический порошковый металл — как спеченные магнитомягкие материалы, так и SMC.

(Кривая КПД двигателя с постоянным магнитом в зависимости отасинхронные двигатели. Эта диаграмма характеристик была разработана для частоты сети около 60 Гц. Ожидайте, что по мере увеличения частоты производительность станет еще лучше. График любезно предоставлен Empowering Pumps & Equipment )

Вышеупомянутое обсуждение было сосредоточено на рассмотрении двигателей с постоянными магнитами, в которых используются конструкции статора, аналогичные тем, которые используются в асинхронных двигателях переменного тока. Тем не менее, произошли основные изменения в конструкции двигателей нового типа , в которых также используются постоянные магниты для повышения эффективности электродвигателя.

Linear Labs разработала новую схему двигателя, сочетающую высокую эффективность с прочной конструкцией. Это устраняет некоторые из дорогих редкоземельных магнитов, с которыми вы привыкли годами.

Мы думаем, что двигатели с постоянными магнитами — это волна будущего. Для полноты картины давайте теперь посмотрим на конструкцию асинхронного двигателя, с которой работают 90% инженеров.

КПД трехфазного асинхронного двигателя переменного тока

Никола Тесла изобрел асинхронный двигатель в 1883 году.По сути, это та же базовая конструкция статора, что и у постоянного двигателя, но без постоянных магнитов.

Его основной принцип работы заключается в том, что магнитное поле, создаваемое в статоре, создает встречный ток в стержнях ротора. Индуцированный ток ротора затем создает магнитное поле в пластинах ротора. Это противоположное поле заставляет ротор вращаться — при переключении тока статора ротор всегда отстает и заставляет ротор вращаться.

Преимущества этого индуцированного магнитного поля заключаются в том, что не нужны ни щетки, ни обмотка ротора.Двигатели этого типа:

• Надежный
• Прочный
• Низкие эксплуатационные расходы

Выше представлена ​​типичная конфигурация асинхронного двигателя. Обратите внимание, что ротор имеет пластинки в сердечнике и электропроводящий материал (медь или алюминий) в пазах ротора, так называемых стержнях ротора.

Для большинства промышленных применений (более 1 л.с.) и для автомобильных трансмиссий трехфазный асинхронный двигатель является наиболее распространенным.В этой конструкции три фазы обернуты вокруг статора таким образом, что обеспечивает более плавную работу и высокий КПД. Трехфазные двигатели переменного тока самозапускаются при подаче напряжения на обмотки статора. Во многих случаях так называемые стержни ротора расположены под углом для увеличения крутящего момента.

КПД асинхронного двигателя переменного тока на практике

Трехфазное использование в промышленных приложениях относительно просто, поскольку входящее напряжение уже трехфазное. Однако в автомобильной промышленности вам необходимо преобразовать мощность постоянного тока аккумулятора в трехфазный переменный ток.Это происходит через преобразователь постоянного тока в переменный.

В асинхронных двигателях переменного тока необходимо учитывать скорость ротора относительно входящей частоты переменного тока. Первоначально это определяется так называемой синхронной скоростью. Для асинхронного двигателя переменного тока синхронная скорость рассчитывается следующим образом:

• Ns = 120 * частота / количество полюсов

(Помните, что Ns — это синхронная скорость. Число полюсов — это общее число полюсов на фазу, включая как северный, так и южный полюса.)

Для двухполюсного асинхронного двигателя переменного тока, работающего при 60 Гц, синхронная скорость двигателя будет 3600 об / мин. Однако, если бы в этой конфигурации ротор вращался со скоростью 3600 об / мин, у вас был бы нулевой крутящий момент от двигателя. В идеале должно быть некоторое проскальзывание ротора относительно частоты; обычно это около 5%. Таким образом, эти двигатели считаются асинхронными двигателями.

КПД трехфазных асинхронных двигателей может варьироваться от 85% до 96%. См. Таблицу ниже для зависимости крутящего момента отсоскальзывать.

(Типичный крутящий момент в зависимости от скольжения для асинхронных двигателей переменного тока — любезно предоставлено All About Circuits )

Асинхронные двигатели мощностью 50–100 л.с. для промышленного применения различаются массой от 700 до почти 1000 фунтов. Слишком тяжело для автомобильной промышленности, не так ли?

Утверждается, что некоторые модели асинхронных двигателей Tesla весят всего 70 фунтов. и может генерировать 360 л.с. при 18 000 об / мин. Общий вес двигателя и инвертора составляет около 350 фунтов.- все еще намного легче, чем средний двигатель внутреннего сгорания.

Этот двигатель представляет собой трехфазную конструкцию с восемью полюсами на фразу, что означает, что частота переменного тока, используемая для выработки этой мощности, составляет около 1200 Гц. На этих рабочих частотах вихретоковый нагрев ламинирующего материала будет довольно высоким. Этот автомобильный двигатель Tesla требует значительного охлаждения, чтобы не допустить его перегрева. Также немного иронично, что GM дебютировала в своем автомобиле EV1 в середине 90-х годов с асинхронным двигателем, который был ограничен тем фактом, что он использовал свинцово-кислотные батареи вместо литий-ионных батарей.

Стоимость асинхронных двигателей

Ключевым преимуществом асинхронных двигателей переменного тока для электромобилей является стоимость. Они относительно дешевы в сборке.

В индукционных конструкциях

переменного тока используются стальные пластины как в статоре, так и в роторе; их можно штамповать почти одновременно из одного листа материала. Другими словами, процент брака намного ниже, чем у вашей средней работы по штамповке.

Однако уникальный дизайн автомобильного мотора Tesla немного дороже.Трудно найти точную цену в Интернете, но вариант с полным приводом для Tesla добавляет около 4000 долларов к общей стоимости автомобиля. Вы также должны учитывать повышенные требования к охлаждению на этих высоких частотах переменного тока.

Индукция против. Эффективность двигателя с постоянным магнитом: победитель …

Несмотря на преимущества использования магнитомягких материалов в двигателе с постоянными магнитами — SMC не являются фактором в индукционных конструкциях — выбор типа двигателя для вашей трансмиссии затруднен.У каждого есть свои преимущества и недостатки.

Несмотря на то, что асинхронный двигатель переменного тока был впервые разработан более 100 лет назад, он по-прежнему жизнеспособен благодаря повышению эффективности и производительности в 20-м и 21-м веках. Двигатель с постоянными магнитами — относительная новинка, но обещает более высокую производительность и, возможно, меньший вес.

Основным камнем преткновения для двигателей с постоянными магнитами является потенциально высокая стоимость магнитов. К счастью, на горизонте есть многообещающие разработки, которые могут устранить этот недостаток.

Мы пользуемся услугами уважаемого дизайнера двигателей, чтобы помочь клиентам с такими проектами. Если вам нужна помощь в разработке компонентов, чтобы в полной мере использовать весь потенциал порошковой металлургии для магнитных приложений переменного или постоянного тока, посетите наш новый ресурсный центр или свяжитесь с нами!

Все о двигателях с постоянными магнитами

Электродвигатель позволяет создавать движение с помощью электричества. Это разнообразный класс машин, которые обеспечивают питание для огромного количества приложений и в настоящее время управляют автоматизацией, производством, коммерческими продуктами и т. Д.Универсальность этих двигателей обусловлена ​​наличием многих типов электродвигателей, и в этой статье будет рассмотрена многообещающая конструкция — двигатель с постоянными магнитами. Первоначально разработанный на ранней стадии, этот двигатель быстро становится эффективной альтернативой отраслевым стандартам благодаря достижениям 21 века. Этот двигатель, его принципы работы и его применение будут исследованы в этом обсуждении и покажут, почему этот двигатель привлек столько внимания в последние годы.

Что такое двигатели с постоянными магнитами?

Двигатели с постоянными магнитами — это усовершенствованные двигатели, по конструкции похожие как на асинхронные, так и на серводвигатели (дополнительную информацию об этих двух конструкциях можно найти в наших статьях, посвященных асинхронным двигателям и серводвигателям).Они состоят из статора — внешнего корпуса — и ротора — подвижного компонента, соединенного с выходным валом двигателя. Как и другие двигатели переменного тока, двигатель с постоянными магнитами использует физику электромагнетизма для создания крутящего момента, и они делают это с помощью постоянных магнитов (обычно редкоземельных магнитов), встроенных в их ротор. Эта конструкция отличается от большинства других электродвигателей, в которых ротор либо генерирует собственное магнитное поле за счет индукции, либо за счет использования источника постоянного тока, либо просто состоит из ферромагнитного металла.Магниты в двигателе с постоянными магнитами при правильном расположении по отношению к статору могут обеспечивать скорость, равную частоте тока возбуждения, и поэтому считаются синхронным двигателем (см. Нашу связанную статью о синхронных двигателях, чтобы узнать больше). Эти двигатели должны быть соединены с электронным компонентом, который сглаживает крутящий момент этого двигателя, и именно поэтому эти машины только недавно достигли своего успеха в качестве жизнеспособной конструкции.

Как работают двигатели с постоянными магнитами?

Основная работа двигателя с постоянными магнитами такая же, как и у большинства электродвигателей; внешний статор удерживает обмотки катушек, питаемых от источника питания, а ротор свободно вращается за счет сил, передаваемых катушками статора.Многие из тех же основных принципов, что и для асинхронных двигателей, справедливы и для двигателей с постоянными магнитами, и дополнительную информацию можно найти в нашей статье об асинхронных двигателях. Это не означает, что это чисто машины переменного тока; Фактически, большую часть своего срока службы они были реализованы как двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (PMDCM) для небольших приложений. Однако мощность PMDCM довольно мала, и в этой статье основное внимание будет уделено двигателям переменного тока с постоянными магнитами (PMACM), поскольку они бывают больших размеров, предлагают большую мощность и могут сравниться с асинхронными двигателями с точки зрения прочности. , эффективность и количество использований.

Отличительная особенность PMACM — постоянные магниты внутри их ротора — на них действует вращающееся магнитное поле (RMF) обмоток статора, и они отталкиваются во вращательное движение. Это отклонение от других роторов, где магнитная сила должна создаваться или создаваться в корпусе ротора, что требует большего тока. Это означает, что PMACM обычно более эффективны, чем асинхронные двигатели, поскольку магнитное поле ротора является постоянным и не требует источника энергии, используемого для его генерации.Это также означает, что для работы им требуется частотно-регулируемый привод (VFD или PM), который представляет собой систему управления, которая сглаживает крутящий момент, создаваемый этими двигателями. Включая и отключая ток на обмотки статора на определенных этапах вращения ротора, привод с постоянными магнитами одновременно управляет крутящим моментом и током и использует эти данные для расчета положения ротора и, следовательно, скорости на выходе вала. Это синхронные машины, так как их скорость вращения совпадает со скоростью RMF.Эти машины относительно новые и все еще оптимизируются, поэтому конкретная работа любого PMACM на данный момент по существу уникальна для каждой конструкции.

Двигатели с постоянными магнитами Технические характеристики

Преобразователи PMACM

имеют такие же характеристики, как и асинхронные двигатели, и дополнительные сведения об основных характеристиках этих двигателей можно найти в наших статьях об асинхронных двигателях. Ниже приведены некоторые важные спецификации, относящиеся к PMACM, которые могут помочь разработчикам выбрать правильный двигатель для своей работы.

Тип фазы

Модули PMACM

в большинстве случаев питаются от трехфазного входа переменного тока, предназначенного для быстрого создания RMF, что делает их типом трехфазных двигателей. Важно понимать фазу используемого двигателя, поскольку однофазные двигатели по своей природе не запускаются автоматически, а трехфазные двигатели обычно имеют более высокие номинальные значения напряжения / крутящего момента. Более подробную информацию можно найти в наших статьях об однофазных двигателях и типах пускателей двигателей.

Поляки и зубчатые передачи двигателя

Полюса двигателя — это просто магнитные точки север-юг на статоре и роторе.В PMACM эти полюса постоянны в роторе и переключаются в статоре для вращения. Может возникнуть явление, известное как зубчатое движение двигателя, когда постоянное преодоление притяжения и отталкивания постоянных магнитов вызывает нежелательные рывки во время вращения ротора. Зубцы обычно возникают при запуске двигателя и могут вызывать вибрации, шум и неравномерное вращение. Увеличение числа полюсов в PMACM помогает уменьшить эту проблему, а также эффект пульсации крутящего момента (дополнительную информацию о пульсации крутящего момента можно найти в нашей статье о реактивных двигателях).Поэтому PMACM обычно имеют больше полюсов, чем асинхронные двигатели, что позволяет предположить, что им требуется более высокая входная частота для достижения одинаковых скоростей вращения.

Заметность и обратная связь с обратной связью

Эти двигатели должны поставляться со специализированным оборудованием системы управления, которое позволяет им работать наиболее эффективно. В PMACM значимостью является разница в индуктивности на клеммах двигателя при вращении ротора. Эта разница может привести к смещению ротора и статора, что может вызвать нежелательные зубцы / поломки.Для решения этой проблемы используется обратная связь с обратной связью, отслеживая точное положение ротора с помощью датчиков, а затем изменяя входной ток и скорость, чтобы обеспечить непрерывное вращение двигателя.

Температура Кюри

При определенных условиях постоянные магниты могут потерять свой магнетизм. Это размагничивание происходит при температуре Кюри — характеристика магнитов, где за пределами определенной температуры весь магнетизм теряется. Несмотря на то, что двигатели с постоянными магнитами, как правило, работают холоднее, чем другие конструкции, эта температура Кюри особенно важна, поскольку даже приближение к этому значению может вызвать деградацию PMACM.

Заявки и критерии отбора

Поскольку эти двигатели все еще разрабатываются, трудно обеспечить надежный метод выбора. Более полезно подчеркнуть преимущества этих двигателей по сравнению с существующими конструкциями, а также их недостатки, которые могут привести к выбору другого, более обычного двигателя.

Самым заманчивым преимуществом PMACM является то, что они обладают более высокой эффективностью благодаря упрощенному ротору. Этот КПД является исключительным при малых нагрузках по крутящему моменту и может сэкономить много кВтч энергии в этих схемах.Эта экономия также увеличивается с увеличением размера двигателя, позволяя PMACM конкурировать с обычными асинхронными двигателями в высокоскоростных приложениях с высоким крутящим моментом. Более высокая удельная мощность PMACM в сочетании с их высокоскоростными возможностями и эффективностью может дать асинхронным двигателям, таким как классические двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором, экономию денег. Они также, как правило, занимают меньше места и отлично подходят для модернизации старых систем новыми, меньшими и более мощными PMACM. Будучи более дорогими, чем асинхронные двигатели, по первоначальной стоимости продукта, PMACM и их энергосбережение могут обеспечить полную окупаемость инвестиций чуть более чем за год.Они также являются синхронными, что позволяет им работать там, где асинхронные двигатели не могут. PMACM также имеют более низкую температуру, чем асинхронные двигатели, что увеличивает их надежность и срок службы.

Главный недостаток также является причиной их успеха в качестве двигателя; они нуждаются в точном оборудовании систем управления для работы и бесполезны без него. Эти системы увеличивают сложность установки и эксплуатации и могут увеличить первоначальную стоимость PMACM. Другой серьезной проблемой, связанной с этими типами двигателей, является их потребность в редкоземельных магнитах (самарий, неодим и т. Д.).), которые облагаются экологическими налогами и демонстрируют неустойчивые рыночные цены. Таким образом, хотя они энергоэффективны в использовании, они экологически вредны для производства, и их цены могут колебаться в зависимости от постоянно меняющихся цен на магнитных рынках.

В настоящее время эти двигатели используются в электромобилях, модификациях, конвейерах, миксерах, измельчителях, насосах, вентиляторах, воздуходувках и приложениях, для которых также подходят асинхронные двигатели. Как объяснялось ранее, эти двигатели все еще исследуются и не так популярны, как традиционные конструкции.Однако по прошествии некоторого времени и дополнительных усилий двигатель с постоянными магнитами может стать отраслевым стандартом для производства механической энергии на рынке.

Сводка

В этой статье представлено понимание того, что такое двигатели с постоянными магнитами и как они работают. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

Источники:

1. https: // www.sevenhwave.org/new-technologies/permanent-magnet-alternating-current-motors
2. https://www.xcelenergy.com/staticfiles/xe-responsive/Programs%20and%20Rebates/Business/MN-Motors-PMAC-Information-Sheet.pdf
3. https://michaelsenergy.com/briefs/permanent-magnet-ac-motors/
4. https://www.mtecorp.com
5. https://www.machinedesign.com/#menu
6. https://geosci.uchicago.edu

Прочие изделия для двигателей

Больше от Machinery, Tools & Supplies

В бесконтактном электродвигателе Mahle мощность достигает ротора по беспроводной сети

Автопроизводители за пределами Китая изо всех сил пытаются разработать конструкции электродвигателей, в которых не используются постоянные магниты, отчасти потому, что для магнитов требуются редкоземельные элементы, а добыча редкоземельных элементов вызывает загрязнение.Отчасти это также связано с тем, что добыча полезных ископаемых ведется в Китае, грозном автомобильном конкуренте.

Эти альтернативные двигатели вращают ротор только за счет электромагнитной силы; в последнее время мы рассмотрели более одного такого двигателя. Одна проблема: конструкции с медными обмотками в роторе должны передавать электричество движущейся цели, а точка контакта — контактное кольцо — подвержена износу.

Сегодня Mahle, немецкая компания по производству автозапчастей, представила двигатель, не содержащий редкоземельных элементов и не имеющий физического контакта.Мощность передается в ротор по беспроводной связи через индукцию катушкой, по которой проходит переменный ток. Это индуцирует ток в приемном электроде внутри ротора, который возбуждает там медные обмотки, создавая электромагнитное поле.

Это означает, что практически нет ничего, что могло бы изнашиваться. «Нет контактов для передачи электричества, нет истирания, образования пыли и механического износа», — заявил в среду на онлайн-пресс-конференции Мартин Бергер, руководитель отдела исследований Mahle.«Также я должен сказать, что если нужно обслуживать немагнитный ротор, его несложно заменить».

Может показаться странным пытаться минимизировать износ электродвигателей, поскольку они уже славятся своей простотой и долговечностью. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, электродвигатели практически не имеют движущихся частей, их довольно легко разобрать и снова собрать. Возможно, инженеры Mahle почерпнули эту идею из своей многолетней работы в области технологии беспроводной зарядки.Возможно, бесконтактная конструкция ротора обеспечивает не только долговечность, но и преимущества.

Ротор получает энергию через переменное поле, которая затем преобразуется в постоянный ток для электромагнитных катушек. Изображение: Mahle

Бергер говорит, что новый двигатель сочетает в себе лучшие черты нескольких двигателей, например, предлагая хорошую эффективность как при низком, так и при высоком крутящем моменте. В целом, утверждает компания, двигатель достигает КПД не менее 95% при типичном использовании электромобиля и достигает КПД 96% во многих рабочих точках.В сообщении Mahle говорится, что ни один электромобиль, за исключением гоночных автомобилей Формулы E, не показал себя лучше.

По словам Бергера, эту машину можно легко масштабировать от использования в малолитражных легковых автомобилях до небольших грузовиков. Однако он не идеален для сверхкомпактных автомобилей, таких как электровелосипеды, или для больших грузовиков, которые обычно работают при постоянной нагрузке.

«Очень быстрым или тяжелым транспортным средствам потребуется трансмиссия», — добавляет он. «Но для большинства случаев применения, например, легковых автомобилей, достаточно одной передачи.”

Mahle не сообщает, какие компании заинтересованы в новом двигателе, только то, что образцы уже поставлены, а до массового производства осталось около двух с половиной лет.

Электромагнетизм — Самодельный электродвигатель без магнитов

Двигатель с двумя катушками

В этом разделе мы построим двигатель без каких-либо постоянные магниты. Вместо магнита мы будем использовать еще один моток проволоки. Эта катушка называется полевой катушка, а катушка, которая движется, называется якорем катушка.

Самый простой способ сделать это — заменить постоянный магнит с катушкой из проволоки, подключенной ко второму аккумулятор. Но мы можем сэкономить вторую батарею и потратить впустую меньше электричества, за счет расположения катушек, как показано на диаграмма ниже:

На схеме показано, как электроны текут в катушке. Они начинаются там, где отрицательная клемма аккумулятора подключен (отмечен здесь знаком минус). Затем они текут вокруг и вокруг катушки возбуждения, пока они не достигнут первая опорная петля справа.Оттуда они текут в катушку якоря, вращаясь по кругу, пока они выйдите из другого конца и перелейте во вторую опору петля слева. Оттуда они возвращаются в положительный полюс аккумуляторной батареи.

Вы можете видеть, что когда электричество течет в одной катушке, он также течет в другом. Когда якорь переворачивается, а изоляция перекрывает подачу электричества к арматуры, она также перекрывает подачу электричества к катушка возбуждения одновременно.

Поскольку обе катушки включаются и выключаются вместе, у нас никогда не было состояние, при котором одна катушка включена, а другая выключена. Это было бы пустой тратой электричества.

На фотографии выше показан собранный двигатель. Я использовал три разные типы проволоки, чтобы было легче показать, как они сочетаются друг с другом.

Жирный зеленый провод — это катушка возбуждения. Он обмотан примерно 50 витков провода вокруг батареи D, затем удалили. Концы провода обернуты вокруг катушки, чтобы она была плотно прилегающей, так же, как мы это делали с якоря всех остальных двигателей.

Один конец провода катушки возбуждения лишен изоляции, и сформировали петлю для первой опоры. Другой конец идет к аккумулятор.

Коричневая проволока образует вторую опору. Один конец зачищен и сформирован в петлю, а другой конец несколько раз намотан на катушку, чтобы сделайте прочную опору, затем он перейдет к другому выводу аккумулятор.

Якорь изготовлен из тонкой зеленой проволоки и сформирован таким же образом. мы сделали для других моторов.Пара пластиковых бусинок удерживает арматуру по центру (они необязательны).

Этот мотор отлично работает от ячейки D и быстрее работает от Аккумулятор на 9 вольт.

Далее: Развлечения с высоким напряжением

Очень вкусно

Некоторые из моих других веб-сайтов:

---

Отправить письмо на Саймон Квеллен Филд через [email protected] > Google .