Mit der Entwicklung von Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien in den 1970er Jahren entstanden Seltenerd-Permanentmagnetmotoren. Permanentmagnetmotoren nutzen Seltenerd-Permanentmagnete zur Erregung, die nach der Magnetisierung permanente Magnetfelder erzeugen können. Ihre Erregerleistung ist hervorragend und sie ist elektrischen Erregermotoren hinsichtlich Stabilität, Qualität und Verlustreduzierung überlegen, was den traditionellen Motorenmarkt erschüttert hat.

In den letzten Jahren wurden mit der rasanten Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie die Leistung und Technologie elektromagnetischer Materialien, insbesondere elektromagnetischer Materialien der Seltenen Erden, schrittweise verbessert. In Verbindung mit der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik, der Kraftübertragungstechnologie und der automatischen Steuerungstechnologie wird die Leistung von Permanentmagnet-Synchronmotoren immer besser.

Darüber hinaus zeichnen sich Permanentmagnet-Synchronmotoren durch geringes Gewicht, einfache Struktur, geringe Größe, gute Eigenschaften und hohe Leistungsdichte aus. Viele wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Unternehmen betreiben aktiv Forschung und Entwicklung im Bereich Permanentmagnet-Synchronmotoren, und ihre Anwendungsbereiche werden weiter ausgebaut.

1.Entwicklungsgrundlagen des Permanentmagnet-Synchronmotors

a.Anwendung von Hochleistungs-Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien

Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien haben drei Entwicklungsstufen durchlaufen: SmCo5, Sm2Co17 und Nd2Fe14B. Derzeit sind Permanentmagnetmaterialien, repräsentiert durch NdFeB, aufgrund ihrer hervorragenden magnetischen Eigenschaften die am häufigsten verwendeten Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien. Die Entwicklung von Permanentmagnetmaterialien hat die Entwicklung von Permanentmagnetmotoren vorangetrieben.

Im Vergleich zum herkömmlichen dreiphasigen Induktionsmotor mit elektrischer Erregung ersetzt der Permanentmagnet den elektrischen Erregerpol, vereinfacht die Struktur, eliminiert Schleifring und Bürste des Rotors, realisiert die bürstenlose Struktur und reduziert die Größe des Rotors. Dies verbessert die Leistungsdichte, Drehmomentdichte und Arbeitseffizienz des Motors und macht den Motor kleiner und leichter, wodurch sein Anwendungsbereich weiter erweitert und die Entwicklung von Elektromotoren in Richtung höherer Leistung gefördert wird.

b.Anwendung der neuen Kontrolltheorie

In den letzten Jahren haben sich Regelalgorithmen rasant weiterentwickelt. Vektorregelungsalgorithmen haben das Problem der Antriebsstrategie von Wechselstrommotoren prinzipiell gelöst und sorgen für eine gute Regelleistung der Wechselstrommotoren. Die direkte Drehmomentregelung vereinfacht die Regelungsstruktur und zeichnet sich durch eine hohe Schaltleistung bei Parameteränderungen und eine schnelle Drehmomentdynamik aus. Die indirekte Drehmomentregelung löst das Problem der starken Drehmomentpulsation des direkten Drehmoments bei niedriger Drehzahl und verbessert die Drehzahl und Regelgenauigkeit des Motors.

c.Anwendung von Hochleistungs-Leistungselektronikgeräten und -prozessoren

Moderne Leistungselektronik ist eine wichtige Schnittstelle zwischen der Informationsindustrie und traditionellen Industrien und eine Brücke zwischen Schwachstrom und kontrolliertem Starkstrom. Die Entwicklung der Leistungselektronik ermöglicht die Realisierung von Antriebsregelungsstrategien.

In den 1970er Jahren erschien eine Reihe von Universalwechselrichtern, die Industriefrequenzstrom in stufenlos regelbaren Wechselstrom umwandeln konnten. Dadurch wurden die Voraussetzungen für eine stufenlose Drehzahlregelung von Wechselstrom geschaffen. Diese Wechselrichter verfügen über eine Sanftanlauffunktion nach der Frequenzeinstellung. Die Frequenz kann mit einer bestimmten Geschwindigkeit von Null auf die eingestellte Frequenz ansteigen. Die Anstiegsgeschwindigkeit lässt sich in einem weiten Bereich stufenlos einstellen, wodurch das Anlaufproblem von Synchronmotoren gelöst wurde.

2. Entwicklungsstand von Permanentmagnet-Synchronmotoren im In- und Ausland

Der erste Motor der Geschichte war ein Permanentmagnetmotor. Da die Leistung von Permanentmagnetmaterialien damals relativ schlecht war und die Koerzitivkraft und Remanenz von Permanentmagneten zu gering waren, wurden sie bald durch elektrische Erregermotoren ersetzt.

In den 1970er Jahren verfügten Seltenerd-Permanentmagnete wie NdFeB über eine hohe Koerzitivkraft, Remanenz, starke Entmagnetisierungsfähigkeit und ein großes magnetisches Energieprodukt. Dies führte zur Erfindung leistungsstarker Synchronmotoren mit Permanentmagneten. Heute wird die Forschung an Synchronmotoren mit Permanentmagneten immer ausgereifter und entwickelt sich in Richtung hoher Geschwindigkeit, hohem Drehmoment, hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad.

In den letzten Jahren haben sich Permanentmagnet-Synchronmotoren dank starker Investitionen inländischer Wissenschaftler und der Regierung rasant weiterentwickelt. Mit der Weiterentwicklung der Mikrocomputertechnologie und der automatischen Steuerungstechnik finden Permanentmagnet-Synchronmotoren breite Anwendung in verschiedenen Bereichen. Mit dem gesellschaftlichen Fortschritt sind auch die Anforderungen an Permanentmagnet-Synchronmotoren gestiegen, was zu einer Entwicklung hin zu einem größeren Drehzahlregelbereich und einer präziseren Steuerung geführt hat. Durch die Verbesserung aktueller Produktionsprozesse wurden leistungsstarke Permanentmagnetmaterialien weiterentwickelt. Dies senkt die Kosten erheblich und ermöglicht die schrittweise Einführung in verschiedenen Lebensbereichen.

3. Aktuelle Technologie

a. Konstruktionstechnologie für Permanentmagnet-Synchronmotoren

Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Erregermotoren verfügen Permanentmagnet-Synchronmotoren über keine elektrischen Erregerwicklungen, Schleifringe und Erregergehäuse, was nicht nur die Stabilität und Zuverlässigkeit, sondern auch die Effizienz erheblich verbessert.

Unter diesen zeichnen sich eingebaute Permanentmagnetmotoren durch einen hohen Wirkungsgrad, einen hohen Leistungsfaktor, eine hohe Leistungsdichte der Einheit, eine starke Fähigkeit zur Geschwindigkeitserweiterung bei schwachen Magneten und eine schnelle dynamische Reaktionsgeschwindigkeit aus, was sie zu einer idealen Wahl für den Antrieb von Motoren macht.

Permanentmagnete erzeugen das gesamte Erregermagnetfeld von Permanentmagnetmotoren. Rastmomente erhöhen die Vibrationen und Geräusche des Motors während des Betriebs. Ein zu hohes Rastmoment beeinträchtigt die Leistung des Motordrehzahlregelsystems bei niedrigen Drehzahlen und die hochpräzise Positionierung des Positionsregelsystems. Daher sollte bei der Motorkonstruktion das Rastmoment durch Motoroptimierung so weit wie möglich reduziert werden.

Untersuchungen zufolge umfassen die allgemeinen Methoden zur Reduzierung des Rastmoments die Änderung des Polbogenkoeffizienten, die Reduzierung der Statorschlitzbreite, die Anpassung von Schrägschlitz und Polschlitz sowie die Änderung von Position, Größe und Form des Magnetpols usw. Es ist jedoch zu beachten, dass die Reduzierung des Rastmoments andere Motorleistungen beeinträchtigen kann, beispielsweise das elektromagnetische Drehmoment entsprechend abnehmen kann. Daher sollten bei der Konstruktion verschiedene Faktoren so gut wie möglich ausgewogen werden, um die beste Motorleistung zu erzielen.

b.Permanentmagnet-Synchronmotor-Simulationstechnologie

Das Vorhandensein von Permanentmagneten in Permanentmagnetmotoren erschwert Konstrukteuren die Berechnung von Parametern wie der Auslegung des Leerlauf-Streuflusskoeffizienten und des Polbogenkoeffizienten. In der Regel wird Finite-Elemente-Analyse-Software zur Berechnung und Optimierung der Parameter von Permanentmagnetmotoren verwendet. Finite-Elemente-Analyse-Software kann Motorparameter sehr genau berechnen und ist sehr zuverlässig, um den Einfluss von Motorparametern auf die Leistung zu analysieren.

Mit der Finite-Elemente-Methode können wir das elektromagnetische Feld von Motoren einfacher, schneller und genauer berechnen und analysieren. Es handelt sich um eine numerische Methode, die auf der Differenzmethode basiert und in Wissenschaft und Technik breite Anwendung findet. Mithilfe mathematischer Methoden werden kontinuierliche Lösungsbereiche in Einheitengruppen diskretisiert und anschließend in jeder Einheit interpoliert. Auf diese Weise entsteht eine lineare Interpolationsfunktion, d. h. eine Näherungsfunktion, die mithilfe von Finite-Elementen simuliert und analysiert wird. Dadurch können wir die Richtung der magnetischen Feldlinien und die Verteilung der magnetischen Flussdichte im Motor intuitiv beobachten.

c.Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuerungstechnologie

Die Leistungssteigerung von Motorantriebssystemen ist auch für die Entwicklung der industriellen Steuerung von großer Bedeutung. Sie ermöglicht optimale Systemleistung. Ihre grundlegenden Eigenschaften zeigen sich in der niedrigen Drehzahl, insbesondere bei Schnellstarts und statischer Beschleunigung. Sie liefert ein hohes Drehmoment. Bei hohen Drehzahlen ist eine konstante Drehzahlregelung über einen weiten Bereich möglich. Tabelle 1 vergleicht die Leistung verschiedener gängiger Motoren.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, zeichnen sich Permanentmagnetmotoren durch hohe Zuverlässigkeit, einen großen Drehzahlbereich und einen hohen Wirkungsgrad aus. In Kombination mit der entsprechenden Steuerungsmethode kann das gesamte Motorsystem die beste Leistung erzielen. Daher ist es notwendig, einen geeigneten Steuerungsalgorithmus auszuwählen, um eine effiziente Drehzahlregelung zu erreichen, damit das Motorantriebssystem in einem relativ großen Drehzahlregelungsbereich und einem konstanten Leistungsbereich arbeiten kann.

Die Vektorregelung wird häufig im Drehzahlregelungsalgorithmus von Permanentmagnetmotoren eingesetzt. Sie bietet die Vorteile eines großen Drehzahlregelbereichs, hoher Effizienz, hoher Zuverlässigkeit, guter Stabilität und wirtschaftlicher Vorteile. Sie wird häufig in Motorantrieben, im Schienenverkehr und in der Servotechnik von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Aufgrund unterschiedlicher Anwendungen unterscheidet sich auch die gewählte Stromvektorregelungsstrategie.

4. Eigenschaften des Permanentmagnet-Synchronmotors

Der Permanentmagnet-Synchronmotor zeichnet sich durch eine einfache Struktur, geringe Verluste und einen hohen Leistungsfaktor aus. Im Vergleich zum elektrischen Erregermotor ist aufgrund des Wegfalls von Bürsten, Kommutatoren und anderen Bauteilen kein Blinderregerstrom erforderlich. Dadurch sind Statorstrom und Widerstandsverlust geringer, der Wirkungsgrad höher, das Erregerdrehmoment größer und die Regelleistung besser. Nachteile sind jedoch hohe Kosten und Startschwierigkeiten. Durch den Einsatz von Steuerungstechnik in Motoren, insbesondere von Vektorsteuerungssystemen, ermöglichen Permanentmagnet-Synchronmotoren eine weitreichende Drehzahlregelung, ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten und eine hochpräzise Positionssteuerung. Permanentmagnet-Synchronmotoren werden daher zunehmend für Forschungszwecke interessant.

5. Technische Eigenschaften des Permanentmagnet-Synchronmotors von Anhui Mingteng

a. Der Motor hat einen hohen Leistungsfaktor und einen hohen Qualitätsfaktor des Stromnetzes. Es ist kein Leistungsfaktorkompensator erforderlich, und die Kapazität der Umspannwerksausrüstung kann voll ausgenutzt werden.

b. Der Permanentmagnetmotor wird durch Permanentmagnete erregt und arbeitet synchron. Es gibt keine Geschwindigkeitspulsation und der Rohrleitungswiderstand wird beim Antrieb von Lüftern und Pumpen nicht erhöht.

c. Der Permanentmagnetmotor kann bei Bedarf mit einem hohen Anlaufdrehmoment (mehr als das Dreifache) und einer hohen Überlastkapazität konstruiert werden, wodurch das Phänomen „großes Pferd zieht kleinen Karren“ gelöst wird.

d. Der Blindstrom eines gewöhnlichen Asynchronmotors beträgt im Allgemeinen etwa das 0,5- bis 0,7-fache des Nennstroms. Der Permanentmagnet-Synchronmotor von Mingteng benötigt keinen Erregerstrom. Der Blindstrom von Permanentmagnetmotoren und Asynchronmotoren unterscheidet sich um etwa 50 % und der tatsächliche Betriebsstrom ist etwa 15 % niedriger als der des Asynchronmotors.

e. Der Motor kann so konstruiert werden, dass er direkt startet, und die äußeren Einbaumaße entsprechen denen der derzeit weit verbreiteten Asynchronmotoren, die Asynchronmotoren vollständig ersetzen können.

f. Durch Hinzufügen eines Treibers können ein sanfter Start, ein sanfter Stopp und eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung mit guter dynamischer Reaktion und weiter verbesserter Energiesparwirkung erreicht werden.

g. Der Motor verfügt über viele topologische Strukturen, die die grundlegenden Anforderungen mechanischer Geräte in einem weiten Bereich und unter extremen Bedingungen direkt erfüllen.

h. Um die Systemeffizienz zu verbessern, die Übertragungskette zu verkürzen und die Wartungskosten zu senken, können hoch- und niedrigtourige Direktantriebs-Permanentmagnet-Synchronmotoren entwickelt und hergestellt werden, um den höheren Anforderungen der Benutzer gerecht zu werden.

Anhui Mingteng Permanentmagnetische Maschinen und elektrische Ausrüstung Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) wurde 2007 gegründet. Es ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von hocheffizienten Permanentmagnet-Synchronmotoren spezialisiert hat. Das Unternehmen verwendet moderne Motordesigntheorie, professionelle Designsoftware und ein selbst entwickeltes Permanentmagnetmotor-Designprogramm, um das elektromagnetische Feld, das Flüssigkeitsfeld, das Temperaturfeld, das Spannungsfeld usw. des Permanentmagnetmotors zu simulieren, die Magnetkreisstruktur zu optimieren, die Energieeffizienz des Motors zu verbessern und grundsätzlich die zuverlässige Nutzung des Permanentmagnetmotors sicherzustellen.

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