Con el desarrollo de los materiales de imanes permanentes de tierras raras en la década de 1970, surgieron los motores de imanes permanentes de tierras raras. Estos motores utilizan imanes permanentes de tierras raras para la excitación, los cuales pueden generar campos magnéticos permanentes tras la magnetización. Su rendimiento de excitación es excelente y supera a los motores de excitación eléctrica en términos de estabilidad, calidad y reducción de pérdidas, lo que ha revolucionado el mercado de motores tradicionales.

En los últimos años, gracias al rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas, el rendimiento y la tecnología de los materiales electromagnéticos, especialmente los de tierras raras, han mejorado gradualmente. Junto con el rápido desarrollo de la electrónica de potencia, la tecnología de transmisión de potencia y la tecnología de control automático, el rendimiento de los motores síncronos de imanes permanentes es cada vez mejor.

Además, los motores síncronos de imanes permanentes ofrecen ventajas como peso ligero, estructura simple, tamaño compacto, buenas características y alta densidad de potencia. Numerosas instituciones y empresas de investigación científica están investigando y desarrollando activamente motores síncronos de imanes permanentes, y sus áreas de aplicación se ampliarán aún más.

1. Base de desarrollo del motor síncrono de imán permanente

a. Aplicación de materiales de imanes permanentes de tierras raras de alto rendimiento

Los materiales de imanes permanentes de tierras raras han pasado por tres etapas: SmCo₄, Sm₂Co₄ y Nd₂Fe₄B. Actualmente, el NdFeB se ha convertido en el tipo más utilizado gracias a sus excelentes propiedades magnéticas. El desarrollo de estos materiales ha impulsado el desarrollo de los motores de imanes permanentes.

En comparación con el motor de inducción trifásico tradicional con excitación eléctrica, el imán permanente reemplaza el polo de excitación, simplifica la estructura, elimina el anillo colector y la escobilla del rotor, logra una estructura sin escobillas y reduce el tamaño del rotor. Esto mejora la densidad de potencia, la densidad de par y la eficiencia de trabajo del motor, además de reducir su tamaño y peso, ampliando aún más su campo de aplicación e impulsando el desarrollo de motores eléctricos de mayor potencia.

b.Aplicación de la nueva teoría de control

En los últimos años, los algoritmos de control se han desarrollado rápidamente. Entre ellos, los algoritmos de control vectorial han resuelto el problema de la estrategia de accionamiento de los motores de CA, lo que les proporciona un buen rendimiento de control. La aparición del control directo de par simplifica la estructura de control y se caracteriza por un excelente rendimiento del circuito ante cambios de parámetros y una rápida respuesta dinámica del par. La tecnología de control indirecto de par resuelve el problema de las grandes pulsaciones de par del par directo a baja velocidad y mejora la velocidad y la precisión de control del motor.

c.Aplicación de dispositivos y procesadores electrónicos de potencia de alto rendimiento

La tecnología moderna de electrónica de potencia es una interfaz importante entre la industria de la información y las industrias tradicionales, y un puente entre la corriente débil y la corriente fuerte controlada. El desarrollo de la tecnología de electrónica de potencia permite la implementación de estrategias de control de variadores.

En la década de 1970, surgió una serie de inversores de propósito general que convertían la potencia de frecuencia industrial en potencia de frecuencia variable con ajuste continuo de frecuencia, creando así las condiciones para la regulación de la velocidad de la CA. Estos inversores tienen capacidad de arranque suave tras el ajuste de la frecuencia, y esta puede aumentar desde cero hasta la frecuencia establecida a una velocidad determinada. Esta velocidad de aumento se puede ajustar continuamente dentro de un amplio rango, solucionando así el problema del arranque de los motores síncronos.

2. Estado de desarrollo de los motores síncronos de imanes permanentes en el país y en el extranjero.

El primer motor de la historia fue un motor de imán permanente. En aquel entonces, el rendimiento de los materiales de imán permanente era relativamente bajo, y su fuerza coercitiva y remanencia eran demasiado bajas, por lo que pronto fueron reemplazados por motores de excitación eléctrica.

En la década de 1970, los materiales de tierras raras con imanes permanentes, representados por el NdFeB, poseían gran fuerza coercitiva, remanencia, fuerte capacidad de desmagnetización y una gran producción de energía magnética, lo que impulsó la aparición de los motores síncronos de imanes permanentes de alta potencia. Actualmente, la investigación sobre estos motores está en constante desarrollo y se orienta hacia la alta velocidad, el alto par, la alta potencia y la alta eficiencia.

En los últimos años, gracias a la fuerte inversión de académicos y gobiernos nacionales, los motores síncronos de imanes permanentes se han desarrollado rápidamente. Con el desarrollo de la tecnología de microcomputadoras y el control automático, estos motores se han utilizado ampliamente en diversos campos. Debido al progreso social, las exigencias de los usuarios respecto a los motores síncronos de imanes permanentes se han vuelto más estrictas, lo que ha impulsado el desarrollo de estos motores hacia un mayor rango de regulación de velocidad y un control de mayor precisión. Gracias a la mejora de los procesos de producción actuales, se han desarrollado aún más materiales de alto rendimiento para imanes permanentes. Esto ha reducido considerablemente su coste y su aplicación gradual en diversos ámbitos de la vida.

3. Tecnología actual

a. Tecnología de diseño de motores síncronos de imanes permanentes

En comparación con los motores de excitación eléctrica ordinarios, los motores síncronos de imán permanente no tienen devanados de excitación eléctrica, anillos colectores ni gabinetes de excitación, lo que mejora en gran medida no solo la estabilidad y la confiabilidad, sino también la eficiencia.

Entre ellos, los motores de imán permanente incorporados tienen las ventajas de alta eficiencia, alto factor de potencia, alta densidad de potencia unitaria, fuerte capacidad de expansión de velocidad magnética débil y rápida velocidad de respuesta dinámica, lo que los convierte en una opción ideal para impulsar motores.

Los imanes permanentes proporcionan todo el campo magnético de excitación de los motores de imanes permanentes, y el par de cogging aumenta la vibración y el ruido del motor durante su funcionamiento. Un par de cogging excesivo afecta el rendimiento a baja velocidad del sistema de control de velocidad del motor y la alta precisión del posicionamiento del sistema de control de posición. Por lo tanto, al diseñar el motor, el par de cogging debe reducirse al máximo mediante la optimización del motor.

Según investigaciones, los métodos generales para reducir el par de cogging incluyen modificar el coeficiente de arco polar, reducir el ancho de la ranura del estator, alinear la ranura oblicua con la ranura polar, y modificar la posición, el tamaño y la forma del polo magnético. Sin embargo, cabe destacar que la reducción del par de cogging puede afectar el rendimiento del motor, como la consiguiente disminución del par electromagnético. Por lo tanto, al diseñar el motor, se deben considerar diversos factores para lograr el máximo rendimiento del mismo.

b. Tecnología de simulación de motores síncronos de imanes permanentes

La presencia de imanes permanentes en motores de imanes permanentes dificulta a los diseñadores el cálculo de parámetros como el coeficiente de flujo de fuga en vacío y el coeficiente de arco polar. Generalmente, se utiliza software de análisis de elementos finitos para calcular y optimizar los parámetros de los motores de imanes permanentes. Este software puede calcular los parámetros del motor con gran precisión y es muy fiable para analizar su impacto en el rendimiento.

El método de cálculo de elementos finitos facilita, agiliza y aumenta la precisión en el cálculo y análisis del campo electromagnético de los motores. Este método numérico, desarrollado a partir del método diferencial, se ha utilizado ampliamente en ciencia e ingeniería. Se utilizan métodos matemáticos para discretizar dominios de solución continuos en grupos de unidades y, posteriormente, interpolar en cada unidad. De esta forma, se forma una función de interpolación lineal, es decir, se simula y analiza una función aproximada mediante elementos finitos, lo que permite observar intuitivamente la dirección de las líneas de campo magnético y la distribución de la densidad de flujo magnético dentro del motor.

c.Tecnología de control de motores síncronos de imanes permanentes

Mejorar el rendimiento de los sistemas de accionamiento de motores también es fundamental para el desarrollo del campo del control industrial. Permite que el sistema funcione al máximo rendimiento. Sus características principales se reflejan en la baja velocidad, especialmente en arranques rápidos, aceleración estática, etc., donde puede generar un par elevado; y, a alta velocidad, permite un control de velocidad con potencia constante en un amplio rango. La Tabla 1 compara el rendimiento de varios motores importantes.

Como se puede observar en la Tabla 1, los motores de imanes permanentes ofrecen buena fiabilidad, un amplio rango de velocidad y una alta eficiencia. Si se combinan con el método de control adecuado, todo el sistema del motor puede alcanzar el máximo rendimiento. Por lo tanto, es necesario seleccionar un algoritmo de control adecuado para lograr una regulación de velocidad eficiente, de modo que el sistema de accionamiento del motor pueda operar en un rango de regulación de velocidad relativamente amplio y con un rango de potencia constante.

El método de control vectorial se utiliza ampliamente en algoritmos de control de velocidad de motores de imanes permanentes. Ofrece las ventajas de un amplio rango de regulación de velocidad, alta eficiencia, alta fiabilidad, buena estabilidad y excelentes beneficios económicos. Se utiliza ampliamente en accionamientos de motores, transporte ferroviario y servomotores de máquinas herramienta. Debido a sus diferentes usos, la estrategia de control vectorial adoptada actualmente también varía.

4. Características del motor síncrono de imanes permanentes

El motor síncrono de imanes permanentes presenta una estructura simple, bajas pérdidas y un alto factor de potencia. En comparación con el motor de excitación eléctrica, al no utilizar escobillas, conmutadores ni otros dispositivos, no requiere corriente de excitación reactiva, por lo que la corriente del estator y la pérdida de resistencia son menores, la eficiencia es mayor, el par de excitación es mayor y el rendimiento del control es mejor. Sin embargo, presenta desventajas como el alto costo y la dificultad de arranque. Gracias a la aplicación de la tecnología de control en motores, especialmente los sistemas de control vectorial, los motores síncronos de imanes permanentes pueden lograr una regulación de velocidad de amplio rango, una respuesta dinámica rápida y un control de posicionamiento de alta precisión, por lo que los motores síncronos de imanes permanentes atraerán a más investigadores.

5. Características técnicas del motor síncrono de imán permanente Anhui Mingteng

a. El motor tiene un alto factor de potencia y un alto factor de calidad de la red eléctrica. No se requiere un compensador de factor de potencia, y se puede aprovechar al máximo la capacidad de los equipos de la subestación.

b. El motor de imanes permanentes se excita mediante imanes permanentes y funciona de forma síncrona. No hay pulsaciones de velocidad y la resistencia de la tubería no aumenta al accionar ventiladores y bombas.

c. El motor de imán permanente puede diseñarse con un par de arranque elevado (más de 3 veces) y una alta capacidad de sobrecarga según sea necesario, solucionando así el problema de "un caballo grande tirando de un carro pequeño".

d. La corriente reactiva de un motor asíncrono convencional suele ser de 0,5 a 0,7 veces la corriente nominal. El motor síncrono de imanes permanentes Mingteng no necesita corriente de excitación. La corriente reactiva del motor de imanes permanentes y del motor asíncrono difiere aproximadamente un 50 %, y la corriente de funcionamiento real es aproximadamente un 15 % inferior a la del motor asíncrono.

e. El motor puede diseñarse para arranque directo, y las dimensiones externas de instalación son las mismas que las de los motores asíncronos ampliamente utilizados en la actualidad, lo que puede reemplazar completamente a los motores asíncronos;

f. La adición de un controlador puede lograr un arranque suave, una parada suave y una regulación de velocidad continua, con una buena respuesta dinámica y un efecto de ahorro de energía aún mejor;

g. El motor tiene muchas estructuras topológicas, que satisfacen directamente los requisitos fundamentales de los equipos mecánicos en un amplio rango y en condiciones extremas;

Para mejorar la eficiencia del sistema, acortar la cadena de transmisión y reducir los costos de mantenimiento, se pueden diseñar y fabricar motores síncronos de imanes permanentes de accionamiento directo de alta y baja velocidad para satisfacer las exigentes exigencias de los usuarios.

Anhui Mingteng Maquinaria magnética permanente y equipo eléctrico Co., Ltd. (https://www.mingtengmotor.com/) se fundó en 2007. Es una empresa de alta tecnología especializada en la investigación, el desarrollo, la producción y la venta de motores síncronos de imanes permanentes de ultraalta eficiencia. La empresa utiliza una teoría moderna de diseño de motores, software de diseño profesional y un programa propio para simular el campo electromagnético, el campo de fluidos, el campo de temperatura, el campo de tensión, etc., del motor de imán permanente, optimizar la estructura del circuito magnético, mejorar la eficiencia energética del motor y, fundamentalmente, garantizar su uso fiable.

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