Микаэль Виллегер из Leroy-Somer подробно рассматривает, что такое двигатель с постоянными магнитами, в том числе оглядывается назад на то, как эти полезные промышленные рабочие лошадки вернулись в массовое использование.
Любое устройство, которое превращает электричество в движение, то есть электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем. Из-за постоянной потребности в увеличении плотности мощности и высоком уровне эффективности двигатели PM (с постоянными магнитами) в настоящее время широко распространены на современном рынке двигателей.
Первые электродвигатели использовали стержневые магниты и были более или менее «лабораторным прибором». Эти типы магнитов были низкого качества и, как правило, считались непригодными для промышленного применения. Это ограничение побудило многих изобретателей поэкспериментировать с магнитами различных размеров, форм, конфигураций и материалов, что привело к созданию мощных и компактных магнитов, используемых в современных двигателях PM.
Один из первых двигателей PM был создан изобретателем по имени Майкл Фарадей, который экспериментировал с электрическими полями и электромагнетизмом. Он построил вращающуюся электрическую машину, которая широко признана первым в мире электродвигателем. Фарадей построил устройство, которое преобразовывало электрическую энергию в механическое движение. В этом устройстве использовались как неподвижные, так и вращающиеся постоянные магниты с проводами, прикрепленными к чашам с ртутью и к батарее. Когда батарея была подключена к проводам, в цепи протекал ток, и генерируемое электромагнитное поле взаимодействовало с постоянными магнитами, создавая крутящий момент и вызывая механическое движение.
Несмотря на то, что движение было создано с помощью электромагнитных полей и магнитов, изобретатели электродвигателей довольно рано поняли, что двигатели с постоянными магнитами имеют серьезные ограничения в том, что касается практического применения. В 1882 году электрик Джон Эркварт предположил, что, когда электроприводная машина предназначена для выработки значительного количества энергии, желательно заменить постоянные магниты электромагнитами. Значительное увеличение мощности достигается за счет двигателей, оснащенных электромагнитами вместо PMS.
В начале 19 века мир пережил ренессанс в связи с открытием новых типов магнитных материалов, таких как углерод, кобальт и вольфрамовая сталь. Однако эти первые новые магнитные материалы все еще были низкого качества. Только после разработки некоторых новых гибридных магнитов в мире появился высококачественный ресурс, который можно было бы использовать для множества применений. Это открыло дверь для возвращения PM motors.
После обширных исследований в 1930-х годах было обнаружено, что значительные добавки алюминия, никеля и кобальта в сочетании с железом дают высокоэффективный и коммерчески жизнеспособный ТЧ, получаемый обычным литьем в слитки. Названные магнитами ‘алнико’, они были в 100 раз прочнее любого магнита. В 1950-х годах появились ферритовые (керамические) постоянные магниты, которые использовались в двигателях для небольших бытовых приборов. Но в 1960-х годах произошел еще один значительный шаг в расширении использования PMS в электродвигателях, когда были изобретены соединения редкоземельных металлов (самарий) и кобальта. Эти материалы PM были значительными сами по себе. Однако вскоре они были омрачены изобретением в 1980-х годах неодимово-железо-борных ПМС, которые давали более высокий энергетический продукт и были более распространены, чем редкие самарий и кобальт. Задержка была вызвана не только разработкой высокоэнергетических PMS, но и разработкой силовых устройств и электронных контроллеров, которые могли бы заменить механическую коммутацию электронной коммутацией.
В отличие от асинхронных двигателей, двигатели PM не полагаются полностью на ток для намагничивания. Вместо этого магниты, установленные на роторе или встроенные в него, взаимодействуют с внутренними магнитными полями двигателя, индуцируемыми током, которые генерируются электрическим вводом в статор. Более конкретно, сам ротор содержит постоянные магниты, которые либо смонтированы на поверхности пакета слоистых материалов ротора, либо встроены в слои ротора.
Как и в обычных асинхронных двигателях переменного тока, электрическая мощность подается через обмотки статора. Поля с постоянными магнитами, по определению, постоянны и не подвержены сбоям, за исключением крайних случаев неправильного использования магнитов и размагничивания в результате перегрева.
Хотя двигатели PM дороже асинхронных двигателей, они обеспечивают более длительный срок службы, повышенную эффективность, лучшую термостойкость, уменьшенные габариты и вес. Благодаря этим преимуществам двигатели PM для промышленного использования особенно популярны в насосах, вентиляторах, компрессорах и тяговых установках. Они являются одним из наиболее распространенных электрических компонентов, используемых сегодня.
Сегодня используются синхронный реактивный двигатель с постоянным магнитом (PMASynRM) и нанокомпозитные постоянные магниты. Преимущества добавления постоянных магнитов в конструкцию ротора синхронного реактивного двигателя заключаются в увеличении коэффициента мощности двигателя и, таким образом, снижении омических потерь статора двигателя. Омические потери составляют большую часть общих потерь двигателя. Преимуществом индуктивного момента является меньшая потребность в дорогостоящем материале постоянного магнита, что делает это решение, таким образом, дешевле, чем соответствующий двигатель PM.
Использование двигателей PM будет продолжать расти по мере их использования в новых областях применения. Существуют также новые инновации в области высокоэнергетических постоянных магнитов. Одним из таких нововведений являются нанокомпозитные постоянные магниты. Эти магниты представляют собой искусственно сконструированные магнитные структуры (называемые метаматериалами), которые создают сильные постоянные магниты путем изготовления наноструктурированных композитных материалов из твердой / мягкой фазы с размерами менее микрометра. В настоящее время они используются в биомедицине, магнитных носителях информации, разделении магнитных частиц, датчиках, катализаторах и пигментах. Действительно, в будущем мир может увидеть, как нанокомпозитные магнитные материалы найдут применение в будущих поколениях электродвигателей PM.